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 disribution 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  printf("-b <value> \t initial C concentration (default %d)\n",DEFAULT_C_C0);
  56  puts("-R <file> \t read random data from file (default not used)");
  57  puts("-D <file> \t dump cell info into <file> (default not used)");
  58  puts("-L <file> \t load cell info and display it (default no)");
  59  puts("-n \t do not wait for user interaction (default no)");
  60  return -23;
  61 }
  62
  63 int make_amorph(cell *cell)
  64 {
  65  cell->status|=AMORPH;
  66  return 23;
  67 }
  68
  69 int make_cryst(cell *cell)
  70 {
  71  cell->status&=~AMORPH;
  72  return 23;
  73 }
  74
  75 int load_from_file(char *file,display *display)
  76 {
  77  int load_file_fd;
  78
  79  if((load_file_fd=open(file,O_RDONLY))<0)
  80  {
  81   puts("cannot open load file");
  82   return -23;
  83  }
  84  if(read(load_file_fd,&(display->max_x),sizeof(u32))<sizeof(u32))
  85  {
  86   puts("failed reading max x");
  87   return-23;
  88  }
  89  if(read(load_file_fd,&(display->max_y),sizeof(u32))<sizeof(u32))
  90  {
  91   puts("failed reading max y");
  92   return -23;
  93  }
  94  if(read(load_file_fd,&(display->max_z),sizeof(u32))<sizeof(u32))
  95  {
  96   puts("failed reading max z");
  97   return -23;
  98  }
  99  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))
 100  {
 101   puts("failed reading cell info from file");
 102   return -23;
 103  }
 104  close(load_file_fd);
 105  puts("loaded file");
 106  return 23;
 107 }
 108
 109 int save_to_file(char *file,display *display)
 110 {
 111  int save_file_fd;
 112
 113  if((save_file_fd=open(file,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC))<0)
 114  {
 115   puts("cannot open save file");
 116   return -23;
 117  }
 118  if(write(save_file_fd,&(display->max_x),sizeof(u32))<sizeof(u32))
 119  {
 120   puts("failed saving max x");
 121   return -23;
 122  }
 123  if(write(save_file_fd,&(display->max_y),sizeof(u32))<sizeof(u32))
 124  {
 125   puts("failed saving max y");
 126   return -23;
 127  }
 128  if(write(save_file_fd,&(display->max_z),sizeof(u32))<sizeof(u32))
 129  {
 130   puts("failed saving max z");
 131   return -23;
 132  }
 133  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))
 134  {
 135   puts("saving file failed");
 136   return -23;
 137  }
 138  close(save_file_fd);
 139  puts("saved file");
 140  return 23;
 141 }
 142
 143 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)
 144 {
 145  int i,j;
 146  u32 area,c_area,total,count;
 147  u32 x,y,z,sum_c_z;
 148
 149  total=0;
 150  area=x_max*y_max;
 151  sum_c_z=c_c0*z_max+c_slope*gr;
 152
 153  for(i=0;i<z_max;i++)
 154  {
 155   count=0;
 156   c_area=(c_conc*(c_c0+(i+1)*c_slope))/sum_c_z;
 157   for(j=0;j<area;j++)
 158   {
 159    if(!(cell_p+j+i*area)->status&AMORPH) count++;
 160   }
 161   for(j=0;j<area;j++)
 162   {
 163    if(!(cell_p+j+i*area)->status&AMORPH)
 164    {
 165     (cell_p+j+i*area)->conc=c_area/count;
 166     total+=c_area/count;
 167    }
 168   }
 169   j=0;
 170   while(j<c_area%count)
 171   {
 172    x=rand_get(x_max);
 173    y=rand_get(y_max);
 174    if(!(cell_p+x+y*x_max+i*area)->status&AMORPH)
 175    {
 176     (cell_p+x+y*x_max+i*area)->conc+=1;
 177     total++;
 178     j++;
 179    }
 180   }
 181  }
 182  i=0;
 183  while(i<c_conc-total)
 184  {
 185   x=rand_get(x_max);
 186   y=rand_get(y_max);
 187   z=rand_get_lgp(c_slope,c_c0,z_max);
 188   if(!(cell_p+x+y*x_max+z*area)->status&AMORPH)
 189   {
 190    (cell_p+x+y*x_max+z*area)->conc+=1;
 191    i++;
 192   }
 193  }
 194  return 23;
 195 }
 196
 197 /* look at cell ... */
 198 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)
 199 {
 200  cell *this_cell;
 201  int i,j,k;
 202  double pressure;
 203
 204  this_cell=cell_p+x+y*x_max+z*x_max*y_max;
 205  pressure=p0*URAND_2BYTE_MAX;
 206
 207  for(i=-range;i<=range;i++)
 208  {
 209   for(j=-range;j<=range;j++)
 210   {
 211    // z relaxation, no pressure in z direction
 212    // for(k=-range;k<=range;k++)
 213    // {
 214     if(!(i==0 && j==0)) //  && k==0))
 215     {
 216      // 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);
 217      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);
 218     }
 219    // }
 220   }
 221  }
 222  pressure*=this_cell->conc;
 223  if(this_cell->status&AMORPH)
 224  {
 225   /* wrong probability! just test by now ...*/
 226   if(rand_get(URAND_2BYTE_MAX)>pressure)
 227   {
 228     make_cryst(this_cell);
 229     *c_conc=*c_conc+1+this_cell->conc;
 230   } else *c_conc+=1;
 231  } else
 232  {
 233   if(rand_get(URAND_2BYTE_MAX)<=pressure)
 234   {
 235    make_amorph(this_cell);
 236    *c_conc=*c_conc+1-this_cell->conc;
 237   } else *c_conc+=1;
 238  }
 239  return 23;
 240 }
 241
 242 int main(int argc,char **argv)
 243 {
 244  u32 x_cell,y_cell,z_cell; /* amount of segments */
 245  u32 x,y,z; /* cells */
 246  int i; /* for counting */
 247  int slope_nel,start_nel; /* nuclear energy loss: slope, constant */
 248  int a_p_range; /* p. range of amorphous sic */
 249  double a_p_faktor,a_p_p0; /* p0 and faktor of amorphous sic */
 250  int c_dist_c0,c_dist_slope; /* c start concentration and linear slope of c distribution */
 251  u32 c_conc;
 252  int steps; /* # steps */
 253  cell *cell_p;
 254  struct __display display;
 255  u32 display_x,display_y,display_z; /* intercept point of diplayed areas */
 256  u32 display_refresh_rate; /* refresh rate for display */
 257  int quit=0; /* continue/quit status */
 258  char save_file[MAX_CHARS_SAVE_FILE];
 259  char load_file[MAX_CHARS_LOAD_FILE];
 260  unsigned char no_wait;
 261
 262  printfd("debug: sizeof my u32 variable: %d\n",sizeof(u32));
 263  printfd("debug: sizeof my cell struct: %d\n",sizeof(cell));
 264
 265  /* default values */
 266  x_cell=DEFAULT_X_SEG;
 267  y_cell=DEFAULT_Y_SEG;
 268  z_cell=DEFAULT_Z_SEG;
 269  slope_nel=DEFAULT_SLOPE_NEL;
 270  start_nel=DEFAULT_START_NEL;
 271  a_p_range=DEFAULT_A_P_RANGE;
 272  a_p_faktor=DEFAULT_A_P_FAKTOR;
 273  a_p_p0=DEFAULT_A_P_P0;
 274  c_dist_c0=DEFAULT_C_DIST_START_CONC;
 275  c_dist_slope=DEFAULT_C_DIST_SLOPE;
 276  c_conc=DEFAULT_C_C0;
 277  steps=DEFAULT_STEPS;
 278  display_x=x_cell/2;
 279  display_y=y_cell/2;
 280  display_z=z_cell/2;
 281  display_refresh_rate=DEFAULT_DISPLAY_REF_RATE;
 282  strcpy(random_file,"");
 283  strcpy(save_file,"");
 284  strcpy(load_file,"");
 285  no_wait=0;
 286
 287  /* parse command args */
 288  for(i=1;i<argc;i++)
 289  {
 290   if(argv[i][0]=='-')
 291   {
 292    switch(argv[i][1])
 293    {
 294     case 'h':
 295      usage();
 296      return 23;
 297      break;
 298     case 'a':
 299      slope_nel=atoi(argv[++i]);
 300      break;
 301     case 'c':
 302      start_nel=atoi(argv[++i]);
 303      break;
 304     case 'x':
 305      x_cell=atoi(argv[++i]);
 306      break;
 307     case 'y':
 308      y_cell=atoi(argv[++i]);
 309      break;
 310     case 'z':
 311      z_cell=atoi(argv[++i]);
 312      break;
 313     case 's':
 314      steps=atoi(argv[++i]);
 315      break;
 316     case 'X':
 317      display_x=atoi(argv[++i]);
 318      break;
 319     case 'Y':
 320      display_y=atoi(argv[++i]);
 321      break;
 322     case 'Z':
 323      display_z=atoi(argv[++i]);
 324      break;
 325     case 'd':
 326      display_refresh_rate=atoi(argv[++i]);
 327      break;
 328     case 'r':
 329      a_p_range=atoi(argv[++i]);
 330      break;
 331     case 'f':
 332      a_p_faktor=atof(argv[++i]);
 333      break;
 334     case 'p':
 335      a_p_p0=atof(argv[++i]);
 336      break;
 337     case 'b':
 338      c_conc=atoi(argv[++i]);
 339      break;
 340     case 'C':
 341      c_dist_c0=atoi(argv[++i]);
 342      break;
 343     case 'S':
 344      c_dist_slope=atoi(argv[++i]);
 345      break;
 346     case 'R':
 347      strcpy(random_file,argv[++i]);
 348      break;
 349     case 'D':
 350      strcpy(save_file,argv[++i]);
 351      break;
 352     case 'L':
 353      strcpy(load_file,argv[++i]);
 354      break;
 355     case 'n':
 356      no_wait=1;
 357      break;
 358     default:
 359      usage();
 360      return -23;
 361    }
 362   } else usage();
 363  }
 364
 365  /* open random fd */
 366  if(!strcmp(random_file,""))
 367  {
 368   if((random_fd=open("/dev/urandom",O_RDONLY))<0)
 369   {
 370    puts("cannot open /dev/urandom");
 371    return -23;
 372   }
 373  } else
 374  {
 375   if((random_fd=open(random_file,O_RDONLY))<0)
 376   {
 377    puts("cannot open random file");
 378    return -23;
 379   }
 380  }
 381  /* allocate random number buffer */
 382  printf("malloc will free %d bytes now ...\n",RAND_BUF_SIZE);
 383  if((rand_buf=(u32 *)malloc(RAND_BUF_SIZE))==NULL)
 384  {
 385   puts("failed allocating memory for random numbers");
 386   return -23;
 387  }
 388  rand_current=rand_buf+RAND_BUF_SIZE;
 389
 390  /* calculate gr one time! */
 391  gr=0;
 392  for(i=1;i<=z_cell;i++) gr+=i;
 393  printfd("debug: gr = %d\n",gr);
 394
 395  /* allocate cells */
 396  printf("malloc will free %d bytes now ...\n",x_cell*y_cell*z_cell*sizeof(cell));
 397  if((cell_p=(cell *)malloc(x_cell*y_cell*z_cell*sizeof(cell)))==NULL)
 398  {
 399   puts("failed allocating memory for cells");
 400   return -23;
 401  }
 402  memset(cell_p,0,x_cell*y_cell*z_cell*sizeof(cell));
 403
 404  /* load from file */
 405  if(strcmp(load_file,""))
 406  {
 407   display.cell_p=cell_p;
 408   load_from_file(load_file,&display);
 409   x_cell=display.max_x;
 410   y_cell=display.max_y;
 411   z_cell=display.max_z;
 412  }
 413
 414  /* init display */
 415  printfd("debug: init display now ...\n");
 416  display_init(x_cell,y_cell,z_cell,&display,cell_p,&argc,argv);
 417
 418  /* main routine */
 419
 420  /* did we load from file? */
 421  if(!strcmp(load_file,""))
 422  {
 423
 424  printfd("debug: starting main routine ...\n");
 425  for(display.step=0;display.step<steps;display.step++)
 426  {
 427   x=rand_get(x_cell);
 428   y=rand_get(y_cell);
 429   z=rand_get_lgp(slope_nel,start_nel,z_cell);
 430
 431   /* distribute c concentration */
 432   distrib_c_conc(cell_p,c_dist_c0,c_dist_slope,c_conc,x_cell,y_cell,z_cell);
 433
 434   process_cell(cell_p,x,y,z,x_cell,y_cell,z_cell,a_p_range,a_p_faktor,a_p_p0,&c_conc);
 435
 436   /* display stuff */
 437   if((display.step%display_refresh_rate)==0)
 438    display_draw(&display,display_x,display_y,display_z);
 439  }
 440
 441  }
 442
 443  if(strcmp(save_file,"")) save_to_file(save_file,&display);
 444
 445  printfd("debug: main routine finished!\n");
 446
 447  /* display again and listen for events */
 448  display_draw(&display,display_x,display_y,display_z);
 449
 450  if(!no_wait)
 451  {
 452   display_event_init(&display);
 453
 454   while(!quit)
 455   {
 456    display_scan_event(&display,&display_x,&display_y,&display_z,&quit);
 457    display_draw(&display,display_x,display_y,display_z);
 458   }
 459  }
 460
 461  display_release(&display);
 462
 463  return 23;
 464 }