为什么启用 -O2 或更高版本时此代码会中断？

Question

我试图在 8 位 PIC 微控制器中安装 NSA SPECK 的实现。他们的编译器（基于 CLANG）的免费版本不会启用优化，所以我运行内存不足。我尝试了启用 -O2、-O3 和 -Os（针对大小进行优化）的 "trial" 版本。使用 -Os 它设法将我的代码放入 2K 程序内存 space.

代码如下：

#include <stdint.h>
#include <string.h>

#define ROR(x, r) ((x >> r) | (x << (32 - r)))
#define ROL(x, r) ((x << r) | (x >> (32 - r)))
#define R(x, y, k) (x = ROR(x, 8), x += y, x ^= k, y = ROL(y, 3), y ^= x)
#define ROUNDS 27

void encrypt_block(uint32_t ct[2],
        uint32_t const pt[2],
        uint32_t const K[4]) {
    uint32_t x = pt[0], y = pt[1];
    uint32_t a = K[0], b = K[1], c = K[2], d = K[3];

    R(y, x, a);
    for (int i = 0; i < ROUNDS - 3; i += 3) {
        R(b, a, i);
        R(y, x, a);
        R(c, a, i + 1);
        R(y, x, a);
        R(d, a, i + 2);
        R(y, x, a);
    }
    R(b, a, ROUNDS - 3);
    R(y, x, a);
    R(c, a, ROUNDS - 2);
    R(y, x, a);

    ct[0] = x;
    ct[1] = y;
}

不幸的是，逐行调试时，将其与第32页的test vectors in the implementation guide，“15 SPECK64/128 Test Vectors”进行比较，结果与预期结果不同。

调用此函数的方法如下：

uint32_t out[2];
uint32_t in[] = { 0x7475432d, 0x3b726574 };
uint32_t key[] = { 0x3020100, 0xb0a0908, 0x13121110, 0x1b1a1918 };

encrypt_block(out, in, key);

assert(out[0] == 0x454e028b);
assert(out[1] == 0x8c6fa548);

根据指南，"out" 的预期值应为 0x454e028b, 0x8c6fa548。我使用 -O2 得到的结果是 0x8FA3FED7 0x53D8CEA8。使用 -O1，我得到 0x454e028b, 0x8c6fa548，这是正确的结果。

一步调试

实施指南包括所有中间键和其他值，所以我逐行执行代码，将结果与指南进行比较。

"x" 的预期结果是：03020100、131d0309、bbd80d53、0d334df3。我开始单步调试，但是当到达第 4 个结果 0d334df3 时，调试器 window 显示 0d334df0。到下一轮，预期的 7fa43565 值为 7FA43578 并且每次迭代只会变得更糟。

这仅在启用 -O2 或更高版本时发生。在没有优化或使用 -O1 的情况下，代码按预期工作。

Answer 1

发布可编译的测试代码作为参考。

#include <stdint.h>
#include <string.h>
//#include "speck.h"

#define ROR(x, r) ((x >> r) | (x << (32 - r)))
#define ROL(x, r) ((x << r) | (x >> (32 - r)))
#define R(x, y, k) (x = ROR(x, 8), x += y, x ^= k, y = ROL(y, 3), y ^= x)
#define ROUNDS 27

void encrypt_block(uint32_t ct[2], uint32_t const pt[2], uint32_t const K[4]) {
  uint32_t x = pt[0], y = pt[1];
  uint32_t a = K[0], b = K[1], c = K[2], d = K[3];

  R(y, x, a);
  // for (int i = 0; i < ROUNDS - 3; i += 3) {
  for (uint32_t i = 0; i < ROUNDS - 3; i += 3) {
    R(b, a, i);
    R(y, x, a);
    R(c, a, i + 1);
    R(y, x, a);
    R(d, a, i + 2);
    R(y, x, a);
  }
  R(b, a, ROUNDS - 3);
  R(y, x, a);
  R(c, a, ROUNDS - 2);
  R(y, x, a);

  ct[0] = x;
  ct[1] = y;
}

int main(void) {
  uint32_t out[2];
  uint32_t in[] = {0x7475432d, 0x3b726574};
  uint32_t key[] = {0x03020100, 0x0b0a0908, 0x13121110, 0x1b1a1918};
  encrypt_block(out, in, key);

  printf("%8lx %8lx\n", (unsigned long) out[0], 0x454e028bLU);
  printf("%8lx %8lx\n", (unsigned long) out[1], 0x8c6fa548LU);
}

输出

454e028b 454e028b
8c6fa548 8c6fa548

意外输出

0x8FA3FED7
0x53D8CEA8

Answer 2

我没有在您的代码中看到任何未定义行为的迹象，除非它在 setup/call 点的某些方面您没有显示。因此，行为应该不可能根据优化级别而有所不同。通常我不会很快将类似这样的事情归咎于编译器错误，而是针对嵌入式内容的 FOSS 编译器的分支，尤其是在并非针对 16- 设计的编译器中将 int 重新定义为 16 位的分支。位 int，尤其是专有的分支，它们的代码非常糟糕，甚至不想让您看到它，编译器错误很有可能。

Answer 3

这是编译器中的错误。

我发布了问题 in the manufacturer's forum。其他人确实重现了这个问题，在编译某些部分时会发生这种情况。其他部分不受影响。

作为解决方法，我将宏更改为实际函数，并将操作分成两行：

uint32_t ROL(uint32_t x, uint8_t r) {
    uint32_t intermedio;
    intermedio = x << r;
    intermedio |= x >> (32 - r);
    return intermedio;
}

这给出了正确的结果。

为什么启用 -O2 或更高版本时此代码会中断？

Why does this code break when -O2 or higher is enabled?

c

clang

pic

microchip

xc8