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