main.c

   1 /*
   2  * morpheus - main.c
   3  *
   4  * this program tries helping to understand the amorphous depuration
   5  * and recrystallization of SiCx while ion implanation. hopefully the program
   6  * will simulate the stabilization of the selforganizing structure in the
   7  * observed behaviour.
   8  *
   9  * refs:
  10  *  - J. K. N. Lindner. Habilationsschrift, Universitaet Augsburg.
  11  *  - Maik Haeberlen. Diplomarbeit, Universitaet Augsburg.
  12  */
  13
  14 #define _GNU_SOURCE
  15 #include <stdio.h>
  16 #include <stdlib.h>
  17 #include <string.h>
  18 #include <sys/types.h>
  19 #include <sys/stat.h>
  20 #include <fcntl.h>
  21 #include <unistd.h>
  22
  23 /* important defines */
  24 #include "defines.h"
  25
  26 /* function prototypes */
  27 #include "random.h"
  28 #include "display.h"
  29
  30 /* global variables */
  31 u32 *rand_buf,*rand_current;
  32 char random_file[MAX_CHARS_RANDOM_FILE];
  33 u32 gr;
  34 int random_fd; /* /dev/urandom file descriptor */
  35
  36 int usage()
  37 {
  38  puts("usage:");
  39  puts("-h: help");
  40  printf("-a <value> \t slope of nuclear energy loss (default %d)\n",DEFAULT_SLOPE_NEL);
  41  printf("-c <value> \t nuclear enery loss at depths 0 (default %d)\n",DEFAULT_START_NEL);
  42  printf("-x <value> \t # x cells (default %d)\n",DEFAULT_X_SEG);
  43  printf("-y <value> \t # y cells (default %d)\n",DEFAULT_Y_SEG);
  44  printf("-z <value> \t # z cells (default %d)\n",DEFAULT_Z_SEG);
  45  printf("-s <value> \t # steps to calculate (default %d)\n",DEFAULT_STEPS);
  46  puts("-X <value> \t display area intercept point x (default # x celss / 2)");
  47  puts("-Y <value> \t display area intercept point y (default # y cells / 2)");
  48  puts("-Z <value> \t display area intercept point z (default # z cells / 2)");
  49  printf("-d <value> \t refresh every <value> loops (default %d)\n",DEFAULT_DISPLAY_REF_RATE);
  50  printf("-r <value> \t pressure range from amorphous SiCx (default %d)\n",DEFAULT_A_P_RANGE);
  51  printf("-f <value> \t faktor for pressure from amorphous SiCx (default %f)\n",DEFAULT_A_P_FAKTOR);
  52  printf("-p <value> \t p0 for probability of cell getting amorph (default %f)\n",DEFAULT_A_P_P0);
  53  printf("-C <value> \t C start concentration (default %d)\n",DEFAULT_C_DIST_START_CONC);
  54  printf("-S <value> \t slope of linear C distribution (default %d)\n",DEFAULT_C_DIST_SLOPE);
  55  puts("-R <file> \t read random data from file (default not used)");
  56  puts("-D <file> \t dump cell info into <file> (default not used)");
  57  puts("-L <file> \t load cell info and display it (default no)");
  58  return -23;
  59 }
  60
  61 int make_amorph(cell *cell)
  62 {
  63  cell->status|=AMORPH;
  64  return 23;
  65 }
  66
  67 int make_cryst(cell *cell)
  68 {
  69  cell->status&=~AMORPH;
  70  return 23;
  71 }
  72
  73 int load_from_file(char *file,display *display)
  74 {
  75  int load_file_fd;
  76
  77  if((load_file_fd=open(file,O_RDONLY))<0)
  78  {
  79   puts("cannot open load file");
  80   return -23;
  81  }
  82  if(read(load_file_fd,&(display->max_x),sizeof(u32))<sizeof(u32))
  83  {
  84   puts("failed reading max x");
  85   return-23;
  86  }
  87  if(read(load_file_fd,&(display->max_y),sizeof(u32))<sizeof(u32))
  88  {
  89   puts("failed reading max y");
  90   return -23;
  91  }
  92  if(read(load_file_fd,&(display->max_z),sizeof(u32))<sizeof(u32))
  93  {
  94   puts("failed reading max z");
  95   return -23;
  96  }
  97  if(read(load_file_fd,display->cell_p,display->max_x*display->max_y*display->max_z*sizeof(cell))<display->max_x*display->max_y*display->max_z*sizeof(cell))
  98  {
  99   puts("failed reading cell info from file");
 100   return -23;
 101  }
 102  close(load_file_fd);
 103  puts("loaded file");
 104  return 23;
 105 }
 106
 107 int save_to_file(char *file,display *display)
 108 {
 109  int save_file_fd;
 110
 111  if((save_file_fd=open(file,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC))<0)
 112  {
 113   puts("cannot open save file");
 114   return -23;
 115  }
 116  if(write(save_file_fd,&(display->max_x),sizeof(u32))<sizeof(u32))
 117  {
 118   puts("failed saving max x");
 119   return -23;
 120  }
 121  if(write(save_file_fd,&(display->max_y),sizeof(u32))<sizeof(u32))
 122  {
 123   puts("failed saving max y");
 124   return -23;
 125  }
 126  if(write(save_file_fd,&(display->max_z),sizeof(u32))<sizeof(u32))
 127  {
 128   puts("failed saving max z");
 129   return -23;
 130  }
 131  if(write(save_file_fd,display->cell_p,display->max_x*display->max_y*display->max_z*sizeof(cell))!=display->max_x*display->max_y*display->max_z*sizeof(cell))
 132  {
 133   puts("saving file failed");
 134   return -23;
 135  }
 136  close(save_file_fd);
 137  puts("saved file");
 138  return 23;
 139 }
 140
 141 int distrib_c_conc(cell *cell_p,int c_c0,int c_slope,u32 c_conc,u32 x_max,u32 y_max,u32 z_max)
 142 {
 143  int i,j;
 144  u32 area,c_area,total,count;
 145  u32 x,y,z,sum_c_z;
 146
 147  total=0;
 148  area=x_max*y_max;
 149  sum_c_z=c_c0*z_max+c_slope*gr;
 150
 151  for(i=0;i<z_max;i++)
 152  {
 153   count=0;
 154   c_area=(c_conc*(c_c0+(i+1)*c_slope))/sum_c_z;
 155   for(j=0;j<area;j++)
 156   {
 157    if(!(cell_p+j+i*area)->status&AMORPH) count++;
 158   }
 159   for(j=0;j<area;j++)
 160   {
 161    if(!(cell_p+j+i*area)->status&AMORPH)
 162    {
 163     (cell_p+j+i*area)->conc=c_area/count;
 164     total+=c_area/count;
 165    }
 166   }
 167   j=0;
 168   while(j<c_area%count)
 169   {
 170    x=rand_get(x_max);
 171    y=rand_get(y_max);
 172    if(!(cell_p+x+y*x_max+i*area)->status&AMORPH)
 173    {
 174     (cell_p+x+y*x_max+i*area)->conc+=1;
 175     total++;
 176     j++;
 177    }
 178   }
 179  }
 180  i=0;
 181  while(i<c_conc-total)
 182  {
 183   x=rand_get(x_max);
 184   y=rand_get(y_max);
 185   z=rand_get_lgp(c_slope,c_c0,z_max);
 186   if(!(cell_p+x+y*x_max+z*area)->status&AMORPH)
 187   {
 188    (cell_p+x+y*x_max+z*area)->conc+=1;
 189    i++;
 190   }
 191  }
 192  return 23;
 193 }
 194
 195 /* look at cell ... */
 196 int process_cell(cell *cell_p,u32 x,u32 y,u32 z,u32 x_max,u32 y_max,u32 z_max,int range,double faktor,double p0,u32 *c_conc)
 197 {
 198  cell *this_cell;
 199  int i,j,k;
 200  double pressure;
 201
 202  this_cell=cell_p+x+y*x_max+z*x_max*y_max;
 203  pressure=p0*URAND_2BYTE_MAX;
 204
 205  for(i=-range;i<=range;i++)
 206  {
 207   for(j=-range;j<=range;j++)
 208   {
 209    // z relaxation, no pressure in z direction
 210    // for(k=-range;k<=range;k++)
 211    // {
 212     if(!(i==0 && j==0)) //  && k==0))
 213     {
 214      // if((cell_p+((x+x_max+i)%x_max)+((y+j+y_max)%y_max)*x_max+((z+k+z_max)%z_max)*x_max*y_max)->status&AMORPH) pressure+=faktor*URAND_2BYTE_MAX/(i*i+j*j+k*k);
 215      if((cell_p+((x+x_max+i)%x_max)+((y+j+y_max)%y_max)*x_max+z*x_max*y_max)->status&AMORPH) pressure+=faktor*URAND_2BYTE_MAX/(i*i+j*j);
 216     }
 217    // }
 218   }
 219  }
 220  pressure*=this_cell->conc;
 221  if(this_cell->status&AMORPH)
 222  {
 223   /* wrong probability! just test by now ...*/
 224   if(rand_get(URAND_2BYTE_MAX)>pressure)
 225   {
 226     make_cryst(this_cell);
 227     *c_conc=*c_conc+1+this_cell->conc;
 228   } else *c_conc+=1;
 229  } else
 230  {
 231   if(rand_get(URAND_2BYTE_MAX)<=pressure)
 232   {
 233    make_amorph(this_cell);
 234    *c_conc=*c_conc+1-this_cell->conc;
 235   } else *c_conc+=1;
 236  }
 237  return 23;
 238 }
 239
 240 int main(int argc,char **argv)
 241 {
 242  u32 x_cell,y_cell,z_cell; /* amount of segments */
 243  u32 x,y,z; /* cells */
 244  int i; /* for counting */
 245  int slope_nel,start_nel; /* nuclear energy loss: slope, constant */
 246  int a_p_range; /* p. range of amorphous sic */
 247  double a_p_faktor,a_p_p0; /* p0 and faktor of amorphous sic */
 248  int c_dist_c0,c_dist_slope; /* c start concentration and linear slope of c distribution */
 249  u32 c_conc;
 250  int steps; /* # steps */
 251  cell *cell_p;
 252  struct __display display;
 253  u32 display_x,display_y,display_z; /* intercept point of diplayed areas */
 254  u32 display_refresh_rate; /* refresh rate for display */
 255  int quit=0; /* continue/quit status */
 256  char save_file[MAX_CHARS_SAVE_FILE];
 257  char load_file[MAX_CHARS_LOAD_FILE];
 258
 259  printfd("debug: sizeof my u32 variable: %d\n",sizeof(u32));
 260  printfd("debug: sizeof my cell struct: %d\n",sizeof(cell));
 261
 262  /* default values */
 263  x_cell=DEFAULT_X_SEG;
 264  y_cell=DEFAULT_Y_SEG;
 265  z_cell=DEFAULT_Z_SEG;
 266  slope_nel=DEFAULT_SLOPE_NEL;
 267  start_nel=DEFAULT_START_NEL;
 268  a_p_range=DEFAULT_A_P_RANGE;
 269  a_p_faktor=DEFAULT_A_P_FAKTOR;
 270  a_p_p0=DEFAULT_A_P_P0;
 271  c_dist_c0=DEFAULT_C_DIST_START_CONC;
 272  c_dist_slope=DEFAULT_C_DIST_SLOPE;
 273  c_conc=DEFAULT_C_C0;
 274  steps=DEFAULT_STEPS;
 275  display_x=x_cell/2;
 276  display_y=y_cell/2;
 277  display_z=z_cell/2;
 278  display_refresh_rate=DEFAULT_DISPLAY_REF_RATE;
 279  strcpy(random_file,"");
 280  strcpy(save_file,"");
 281  strcpy(load_file,"");
 282
 283  /* parse command args */
 284  for(i=1;i<argc;i++)
 285  {
 286   if(argv[i][0]=='-')
 287   {
 288    switch(argv[i][1])
 289    {
 290     case 'h':
 291      usage();
 292      return 23;
 293      break;
 294     case 'a':
 295      slope_nel=atoi(argv[++i]);
 296      break;
 297     case 'c':
 298      start_nel=atoi(argv[++i]);
 299      break;
 300     case 'x':
 301      x_cell=atoi(argv[++i]);
 302      break;
 303     case 'y':
 304      y_cell=atoi(argv[++i]);
 305      break;
 306     case 'z':
 307      z_cell=atoi(argv[++i]);
 308      break;
 309     case 's':
 310      steps=atoi(argv[++i]);
 311      break;
 312     case 'X':
 313      display_x=atoi(argv[++i]);
 314      break;
 315     case 'Y':
 316      display_y=atoi(argv[++i]);
 317      break;
 318     case 'Z':
 319      display_z=atoi(argv[++i]);
 320      break;
 321     case 'd':
 322      display_refresh_rate=atoi(argv[++i]);
 323      break;
 324     case 'r':
 325      a_p_range=atoi(argv[++i]);
 326      break;
 327     case 'f':
 328      a_p_faktor=atof(argv[++i]);
 329      break;
 330     case 'p':
 331      a_p_p0=atof(argv[++i]);
 332      break;
 333     case 'b':
 334      c_conc=atoi(argv[++i]);
 335      break;
 336     case 'C':
 337      c_dist_c0=atoi(argv[++i]);
 338      break;
 339     case 'S':
 340      c_dist_slope=atoi(argv[++i]);
 341      break;
 342     case 'R':
 343      strcpy(random_file,argv[++i]);
 344      break;
 345     case 'D':
 346      strcpy(save_file,argv[++i]);
 347      break;
 348     case 'L':
 349      strcpy(load_file,argv[++i]);
 350      break;
 351     default:
 352      usage();
 353      return -23;
 354    }
 355   } else usage();
 356  }
 357
 358  /* open random fd */
 359  if(!strcmp(random_file,""))
 360  {
 361   if((random_fd=open("/dev/urandom",O_RDONLY))<0)
 362   {
 363    puts("cannot open /dev/urandom");
 364    return -23;
 365   }
 366  } else
 367  {
 368   if((random_fd=open(random_file,O_RDONLY))<0)
 369   {
 370    puts("cannot open random file");
 371    return -23;
 372   }
 373  }
 374  /* allocate random number buffer */
 375  printf("malloc will free %d bytes now ...\n",RAND_BUF_SIZE);
 376  if((rand_buf=(u32 *)malloc(RAND_BUF_SIZE))==NULL)
 377  {
 378   puts("failed allocating memory for random numbers");
 379   return -23;
 380  }
 381  rand_current=rand_buf+RAND_BUF_SIZE;
 382
 383  /* calculate gr one time! */
 384  gr=0;
 385  for(i=1;i<=z_cell;i++) gr+=i;
 386  printfd("debug: gr = %d\n",gr);
 387
 388  /* allocate cells */
 389  printf("malloc will free %d bytes now ...\n",x_cell*y_cell*z_cell*sizeof(cell));
 390  if((cell_p=(cell *)malloc(x_cell*y_cell*z_cell*sizeof(cell)))==NULL)
 391  {
 392   puts("failed allocating memory for cells");
 393   return -23;
 394  }
 395  memset(cell_p,0,x_cell*y_cell*z_cell*sizeof(cell));
 396
 397  /* load from file */
 398  if(strcmp(load_file,""))
 399  {
 400   display.cell_p=cell_p;
 401   load_from_file(load_file,&display);
 402   x_cell=display.max_x;
 403   y_cell=display.max_y;
 404   z_cell=display.max_z;
 405  }
 406
 407  /* init display */
 408  printfd("debug: init display now ...\n");
 409  display_init(x_cell,y_cell,z_cell,&display,cell_p,&argc,argv);
 410
 411  /* main routine */
 412
 413  /* did we load from file? */
 414  if(!strcmp(load_file,""))
 415  {
 416
 417  printfd("debug: starting main routine ...\n");
 418  for(display.step=0;display.step<steps;display.step++)
 419  {
 420   x=rand_get(x_cell);
 421   y=rand_get(y_cell);
 422   z=rand_get_lgp(slope_nel,start_nel,z_cell);
 423
 424   /* distribute c concentration */
 425   distrib_c_conc(cell_p,c_dist_c0,c_dist_slope,c_conc,x_cell,y_cell,z_cell);
 426
 427   process_cell(cell_p,x,y,z,x_cell,y_cell,z_cell,a_p_range,a_p_faktor,a_p_p0,&c_conc);
 428
 429   /* display stuff */
 430   if((display.step%display_refresh_rate)==0)
 431    display_draw(&display,display_x,display_y,display_z);
 432  }
 433
 434  }
 435
 436  if(strcmp(save_file,"")) save_to_file(save_file,&display);
 437
 438  printfd("debug: main routine finished!\n");
 439
 440  /* display again and listen for events */
 441  display_draw(&display,display_x,display_y,display_z);
 442  display_event_init(&display);
 443
 444  while(!quit)
 445  {
 446   display_scan_event(&display,&display_x,&display_y,&display_z,&quit);
 447   display_draw(&display,display_x,display_y,display_z);
 448  }
 449
 450  display_release(&display);
 451
 452  return 23;
 453 }