OP-TEE项目中禁用长整型除法导致的性能回归问题分析

问题背景

在OP-TEE项目中，一个关于禁用长整型除法的配置变更(d3ec4328a070)被发现会导致显著的性能下降。这个问题最初在Hikey620平台上被发现，运行xtest -l15测试用例时，执行时间从12分59秒增加到了16分52秒，性能下降了约30%。

问题影响范围

这个问题不仅影响了AArch64平台，还意外地影响到了Arm32平台：

1. AArch64平台：

   • Hikey620：测试时间从12分59秒增加到16分52秒
   • QEMUv8：xtest 4006测试从35.8秒增加到45.8秒

2. Arm32平台：

   • imx-mx8mqevk：测试时间从27分9秒增加到38分52秒
   • stm32mp15：回归测试从4分30秒增加到5分30秒

技术分析

根本原因

问题的根源在于禁用长整型除法后，MbedTLS库中的大数运算转而使用软件实现的除法函数，这些实现相比硬件除法指令效率较低。特别是在加密运算中，大数除法是一个频繁操作的核心运算。

意外影响Arm32平台的原因

虽然变更主要针对AArch64平台，但它也影响了Arm32平台，这是因为：

1. Arm32平台使用aeabi函数进行除法运算
2. AArch64平台使用原生除法指令
3. 软件实现的除法函数在两种架构上都比硬件实现慢

相关技术细节

1. 大数运算在加密中的重要性：

   • 现代加密算法(如RSA、ECC)都依赖大数运算
   • 除法运算在大数模运算中尤为关键
   • 性能差异在长时间运行的加密测试中会被放大

2. 软件除法实现：

   • 当前使用的软件除法实现效率不高
   • 存在优化空间，特别是针对特定架构的优化

解决方案

项目团队考虑了多种解决方案：

1. 恢复原有实现：

   • 简单直接，但可能带来其他问题
   • 只是临时解决方案

2. 引入优化的软件除法实现：

   • 参考LLVM项目中的实现
   • 使用纯C语言编写，便于移植
   • 长期来看是最佳解决方案

3. 优化MbedTLS的大数运算：

   • 从根本上提升性能
   • 但实现难度较大

最终，项目团队选择了引入优化的软件除法实现作为长期解决方案，并暂时恢复原有实现作为短期修复。

其他相关问题

在调查过程中，还发现了一个与看门狗测试相关的性能问题：

1. 现象：

   • QEMU初始化时间显著增加
   • tee-supplicant初始化变慢

2. 原因分析：

   • 高分辨率定时器与看门狗测试同时运行
   • 导致过多的中断和上下文切换
   • 影响I/O密集型操作

3. 临时解决方案：

   • 禁用看门狗测试
   • 但这只是权宜之计

这个问题需要进一步调查和优化，特别是在中断处理和调度策略方面。

总结

这次性能回归事件揭示了几个重要问题：

1. 加密库中的基础运算性能对整个系统影响巨大
2. 架构相关的优化需要全面考虑所有支持平台
3. 性能测试应该覆盖各种硬件平台

对于嵌入式安全系统来说，性能不仅影响用户体验，还可能影响安全特性(如实时性要求)。因此，在引入任何可能影响性能的变更时，都需要进行全面的性能评估和测试。