nlsop_client.c

   1 /*
   2  * client nlsop code
   3  *
   4  * author: frank zirkelbach (frank.zirkelbach@physik.uni-augsburg.de)
   5  *
   6  * this program tries helping to understand the amorphous depuration
   7  * and recrystallization of SiCx while ion implantation at temperatures
   8  * below 400 degree celsius.
   9  * hopefully the program will simulate the stabilization of the
  10  * selforganizing lamella structure in the observed behaviour.
  11  *
  12  * refs:
  13  *  - J. K. N. Lindner. Habil.Schrift, Universitaet Augsburg.
  14  *  - Maik Haeberlen. Diplomarbeit, Universitaet Augsburg.
  15  *
  16  * Copyright (C) 2004 Frank Zirkelbach
  17  *
  18  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  19  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  20  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  21  * (at your option) any later version.
  22  *
  23  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  24  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  25  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  26  * GNU General Public License for more details.
  27  *
  28  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  29  * along with this program; if not, write to the Free Software
  30  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
  31  *
  32  */
  33
  34 #define _GNU_SOURCE
  35 #include <stdio.h>
  36 #include <stdlib.h>
  37 #include <string.h>
  38 #include <sys/types.h>
  39 #include <sys/stat.h>
  40 #include <fcntl.h>
  41 #include <unistd.h>
  42
  43 #include <signal.h>
  44
  45 #include "nlsop.h"
  46 #include "dfbapi.h"
  47 #include "random.h"
  48
  49 #include "network.h"
  50 #include "event.h"
  51
  52 #include "nlsop_general.h"
  53
  54 #define MAKE_AMORPH(N) *(N)|=AMORPH
  55 #define MAKE_CRYST(N) *(N)&=~AMORPH
  56
  57 /* globals */
  58
  59 char p_file[MAX_CHARS];
  60 char n_e_file[MAX_CHARS];
  61 char r_file[MAX_CHARS];
  62 t_net *gnet;
  63 d3_lattice *gd3_l;
  64 info *gmy_info;
  65 int *gi;
  66 unsigned char dc;
  67 unsigned char shut_down;
  68
  69 int get_data_and_calc(t_event *event,void *allineed);
  70 int nop(t_event *event,void *allineed);
  71
  72 int usage(char *prog)
  73 {
  74  puts("usage:");
  75  printf("%s -i ip -p port -r/P/n random/profile/neloss file\n",prog);
  76  return 1;
  77 }
  78
  79 /*
  80  * nlsop internal functions
  81  */
  82
  83 int sputter(d3_lattice *d3_l)
  84 {
  85  int i,size;
  86  int offh,offl;
  87
  88  size=d3_l->max_x*d3_l->max_y;
  89  offl=0;
  90  offh=size;
  91
  92  for(i=0;i<d3_l->max_z-1;i++)
  93  {
  94   memcpy(d3_l->status+offl,d3_l->status+offh,size);
  95   memcpy(d3_l->extra+offl,d3_l->extra+offh,size*sizeof(int));
  96   offl=offh;
  97   offh+=size;
  98  }
  99  memset(d3_l->status+offl,0,size);
 100  memset(d3_l->extra+offl,0,size);
 101
 102  return 1;
 103 }
 104
 105 int process_cell(d3_lattice *d3_l,u32 x,u32 y,u32 z,info *my_info,u32 nel_z)
 106 {
 107  unsigned char *thiz;
 108  int *conc;
 109  int i,j;
 110  int off;
 111  double p,q;
 112
 113  thiz=d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 114  conc=d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 115  //p=my_info->b*nel_z; // energieuebertrag prop zu nukl. bk
 116  p=my_info->b*URAND_MAX; // konstanter energieuebertrag
 117  for(i=-(my_info->range);i<=my_info->range;i++)
 118  {
 119   for(j=-(my_info->range);j<=my_info->range;j++)
 120   {
 121    if(!(i==0 && j==0))
 122    {
 123     off=((x+d3_l->max_x+i)%d3_l->max_x)+((y+d3_l->max_y+j)%d3_l->max_x)*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 124     if(*(d3_l->status+off)&AMORPH) p+=my_info->s*(*(d3_l->extra+off))*URAND_MAX/(i*i+j*j);
 125    }
 126   }
 127  }
 128  p+=*conc*my_info->c*URAND_MAX;
 129  if(p>=URAND_MAX) MAKE_AMORPH(thiz);
 130  else {
 131   if(!(*thiz&AMORPH)) {
 132    if(get_rand(URAND_MAX)<=p) MAKE_AMORPH(thiz);
 133   }
 134   else {
 135    /* assume 1-p probability */
 136    /* also look for neighbours ! */
 137    q=(URAND_MAX-p)>0?URAND_MAX-p:0;
 138    j=0;
 139    j+=(*(d3_l->status+((x+d3_l->max_x+1)%d3_l->max_x)+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH)?1:0;
 140    j+=(*(d3_l->status+((x+d3_l->max_x-1)%d3_l->max_x)+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH)?1:0;
 141    j+=(*(d3_l->status+x+((y+1+d3_l->max_y)%d3_l->max_y)*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH)?1:0;
 142    j+=(*(d3_l->status+x+((y-1+d3_l->max_y)%d3_l->max_y)*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH)?1:0;
 143    j+=(*(d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+((z+1+d3_l->max_z)%d3_l->max_z)*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH)?1:0;
 144    j+=(*(d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+((z-1+d3_l->max_z)%d3_l->max_z)*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH)?1:0;
 145
 146    p+=((q/6)*j);
 147    if(p<=URAND_MAX) {
 148     if(get_rand(URAND_MAX)>p) MAKE_CRYST(thiz);
 149    }
 150   }
 151  }
 152
 153  return 1;
 154 }
 155
 156 int distrib_c(d3_lattice *d3_l,info *my_info,int step,u32 rj_m,u32 *rj_g)
 157 {
 158  u32 x,y,z;
 159  int i,j,k,c;
 160  int offset,off;
 161  int carry;
 162
 163  /* put one c ion somewhere in the lattice */
 164  x=get_rand(d3_l->max_x);
 165  y=get_rand(d3_l->max_y);
 166  z=get_rand_reject(d3_l->max_z,rj_m,rj_g);
 167  *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)+=1;
 168  (my_info->cc)++;
 169
 170  if(step%my_info->diff_rate==0)
 171  {
 172
 173  for(i=0;i<d3_l->max_x;i++)
 174  {
 175   for(j=0;j<d3_l->max_y;j++)
 176   {
 177    for(k=0;k<d3_l->max_z;k++)
 178    {
 179     offset=i+j*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 180     /* case amorph: amorph <- cryst diffusion */
 181     if(*(d3_l->status+offset)&AMORPH)
 182     {
 183      for(c=-1;c<=1;c++)
 184      {
 185       if(c!=0)
 186       {
 187        off=((i+d3_l->max_x+c)%d3_l->max_x)+j*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 188        carry=0;
 189        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 190        if(carry!=0)
 191        {
 192         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 193         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 194        }
 195       }
 196      }
 197      for(c=-1;c<=1;c++)
 198      {
 199       if(c!=0)
 200       {
 201        off=i+((j+c+d3_l->max_y)%d3_l->max_y)*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 202        carry=0;
 203        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 204        if(carry!=0)
 205        {
 206         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 207         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 208        }
 209       }
 210      }
 211      /* diff in z direction */
 212      if(k!=0)
 213      {
 214       off=i+j*d3_l->max_x+(k-1)*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 215       carry=0;
 216       if(!*(d3_l->status+off)&AMORPH) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 217       if(carry!=0)
 218       {
 219        *(d3_l->extra+off)-=carry;
 220        *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 221       }
 222      }
 223      if(k!=d3_l->max_z-1)
 224      {
 225       off=i+j*d3_l->max_x+(k+1)*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 226       carry=0;
 227       if(!*(d3_l->status+off)&AMORPH) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 228       if(carry!=0)
 229       {
 230        *(d3_l->extra+off)-=carry;
 231        *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 232       }
 233      }
 234     }
 235    } /* for z */
 236   } /* for y */
 237  } /* for x */
 238
 239  } /* if step modulo diff_rate == 0 */
 240
 241  return 1;
 242 }
 243
 244 u32 get_reject_graph(info *my_info,d3_lattice *d3_l,char *file,u32 *graph) {
 245  double a,b;
 246  int i,j,k;
 247  int fd;
 248  char buf[32],*p;
 249  unsigned char *flag;
 250  u32 max;
 251
 252  max=0;
 253  if((fd=open(file,O_RDONLY))<0)
 254  {
 255   puts("cannot open file to calculate rejection graph");
 256   return -1;
 257  }
 258  if((flag=(unsigned char *)malloc(d3_l->max_z))==NULL)
 259  {
 260   puts("cannot malloc flag memory for rejection graph");
 261   return -1;
 262  }
 263  memset(flag,0,d3_l->max_z);
 264  memset(graph,0,d3_l->max_z*sizeof(u32));
 265  /* get fixpoints */
 266  k=1;
 267  while(k)
 268  {
 269   for(i=0;i<32;i++)
 270   {
 271    k=read(fd,&buf[i],1);
 272    if((buf[i]=='\n')||(k==0)) break;
 273   }
 274   if(k)
 275   {
 276    p=strtok(buf," ");
 277    a=atof(p)/10; /* nm */
 278    p=strtok(NULL," ");
 279    b=atof(p);
 280    if(a>d3_l->max_z*CELL_LENGTH) k=0;
 281    else
 282    {
 283     graph[(int)(a/CELL_LENGTH)]=(int)(URAND_MAX/100*b);
 284     flag[(int)(a/CELL_LENGTH)]=1;
 285    }
 286   }
 287  }
 288  /* do (linear) interpolation here! */
 289  i=0;
 290  a=0;
 291  while(i<d3_l->max_z)
 292  {
 293   /* graph[0] is 0! */
 294   j=i;
 295   i++;
 296   while(flag[i]==0&&i<d3_l->max_z) i++;
 297   for(k=j+1;k<i;k++) graph[k]=(int)((k-j)*((int)graph[i]-(int)graph[j])/(i-j))+graph[j];
 298   if(graph[i]>max) max=graph[i];
 299  }
 300
 301  free(flag);
 302
 303 #ifdef DEBUG_INTERPOL_PROFILE
 304  printf("debug: %s (interpolated profile)\n",file);
 305  for(i=0;i<d3_l->max_z;i++) printf("%d %d\n",i,graph[i]);
 306 #endif
 307
 308  return max;
 309 }
 310
 311 void send_data(int signum) {
 312
 313   int c;
 314
 315   c=gd3_l->max_x*gd3_l->max_y*gd3_l->max_z;
 316
 317   network_send_chan(gnet,0,&dc,1);
 318   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gd3_l,sizeof(d3_lattice));
 319   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gmy_info,sizeof(info));
 320   network_send_chan(gnet,0,gd3_l->status,c*sizeof(unsigned char));
 321   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gd3_l->extra,c*sizeof(int));
 322   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gi,sizeof(int));
 323
 324   if(dc==DC_QUIT) shut_down=1;
 325 }
 326
 327
 328 /*
 329  * main program
 330  */
 331
 332 int main(int argc,char **argv)
 333 {
 334
 335   char server_ip[16];
 336   int port;
 337   t_net net;
 338   t_event event;
 339   unsigned char data[256];
 340   int i;
 341
 342   gnet=&net;
 343
 344   /* default values */
 345   strcpy(server_ip,"137.250.82.105");
 346   strcpy(p_file,IMP_PROFILE);
 347   strcpy(n_e_file,NEL_PROFILE);
 348   strcpy(r_file,"");
 349   port=1025;
 350
 351   /* parse/check argv */
 352   for(i=1;i<argc;i++) {
 353     if(argv[i][0]=='-') {
 354       switch(argv[i][1]) {
 355         case 'h':
 356           usage(argv[0]);
 357           return -1;
 358         case 'i':
 359           strncpy(server_ip,argv[++i],16);
 360           break;
 361         case 'r':
 362           strcpy(r_file,argv[++i]);
 363           break;
 364         case 'P':
 365           strcpy(p_file,argv[++i]);
 366           break;
 367         case 'n':
 368           strcpy(n_e_file,argv[++i]);
 369           break;
 370         case 'p':
 371           port=atoi(argv[++i]);
 372           break;
 373         default:
 374           usage(argv[0]);
 375           return -1;
 376       }
 377     }
 378   }
 379   if(!strcmp(server_ip,"")) {
 380     usage(argv[0]);
 381     return -1;
 382   }
 383
 384   /* event init */
 385   event_init(&event,1);
 386   event_set_timeout(&event,0,0);
 387
 388   /* connect to server */
 389   network_init(&net,1);
 390   network_set_connection_info(&net,0,server_ip,port);
 391   if(network_connect(&net,0)==N_E_CONNECT) {
 392     printf("unable to connect to server, aborting ...\n");
 393     return -1;
 394   }
 395   network_select(&net,0);
 396
 397   /* tell server: i am a client, i may work for you */
 398   data[0]=NLSOP_CLIENT;
 399   network_send(net.connection[0].fd,data,1);
 400
 401   /* wait for job */
 402   event_math(net.connection[0].fd,&event,READ,ADD);
 403   printf("idle, waiting for jobs ...\n");
 404   event_start(&event,NULL,get_data_and_calc,nop);
 405
 406   network_shutdown(&net);
 407
 408   return 1;
 409 }
 410
 411 int nop(t_event *event,void *allineed) {
 412
 413   printf("\ni did a nop :)\n");
 414
 415   return 1;
 416 }
 417
 418 int get_data_and_calc(t_event *event,void *allineed) {
 419
 420   d3_lattice d3_l;
 421   info my_info;
 422   u32 *c_profile;
 423   u32 *n_e_loss;
 424   u32 ne_max,ip_max;
 425   u32 *nel_z;
 426   u32 x_c,y_c,z_c;
 427   int i,j;
 428   int c_step;
 429   unsigned char data;
 430
 431   t_net *net;
 432
 433   c_step=0;
 434   ne_max=0;
 435   ip_max=0;
 436
 437   net=gnet;
 438   gd3_l=&d3_l;
 439   gmy_info=&my_info;
 440   gi=&i;
 441   dc=0;
 442   shut_down=0;
 443
 444   printf("got a new job ...\n");
 445
 446   /* get info (+data) */
 447   network_receive(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 448   if(data==NLSOP_NJOB || data==NLSOP_CJOB) {
 449     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&d3_l,
 450                     sizeof(d3_lattice));
 451     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&my_info,
 452                     sizeof(info));
 453     c_step=0;
 454     j=d3_l.max_x*d3_l.max_y*d3_l.max_z;
 455     d3_l.status=(unsigned char *)malloc(j*sizeof(unsigned char));
 456     if(d3_l.status==NULL) {
 457       printf("status alloc failed\n");
 458       return -1;
 459     }
 460     d3_l.extra=(int *)malloc(j*sizeof(int));
 461     if(d3_l.extra==NULL) {
 462       printf("extra malloc failed\n");
 463       return -1;
 464     }
 465     if(data==NLSOP_CJOB) {
 466       data=DATA_OK;
 467       network_receive(net->connection[0].fd,d3_l.status,
 468                       j*sizeof(unsigned char));
 469       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 470       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)d3_l.extra,
 471                       j*sizeof(int));
 472       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 473       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&c_step,
 474                       sizeof(int));
 475       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 476     }
 477   }
 478   else {
 479     printf("unknown instruction, restarting ...\n");
 480     return -1;
 481   }
 482
 483   printf("starting simulation with following parameters:\n");
 484   printf("b = %f | c = %f | s = %f\n",my_info.b,my_info.c,my_info.s);
 485   printf("diff every %d steps | diff rate = %f\n",my_info.diff_rate,
 486                                                   my_info.dr_ac);
 487   printf("current step: %d | total steps: %d\n",c_step,my_info.steps);
 488   printf("...\n");
 489
 490   /* care for signals */
 491   dc=DC_QUIT;
 492   signal(SIGTERM,send_data);
 493
 494   /* rand init */
 495   if(!strcmp(r_file,"")) rand_init(NULL);
 496   else rand_init(r_file);
 497
 498   /* compute graphs for random number rejection method */
 499   if((c_profile=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 500     puts("failed allocating memory for carbon profile graph");
 501     return -1;
 502   }
 503   if((n_e_loss=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 504     puts("failed allocating memory for nuclear energy loss graph");
 505     return -1;
 506   }
 507   ip_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,p_file,c_profile);
 508   ne_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,n_e_file,n_e_loss);
 509
 510   /* array nel_z[] keeping nuclear energy loss values scaled to URAND_MAX */
 511   nel_z=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int));
 512   if(nel_z==NULL) {
 513     printf("failed allocating nel_z array mem\n");
 514     return -1;
 515   }
 516   for(i=0;i<d3_l.max_z;i++) nel_z[i]=URAND_MAX*(1.0*n_e_loss[i]/ne_max);
 517
 518   /* this should be obsolete - z is high enough - we check now! */
 519   if(c_profile[d3_l.max_z-1]!=0) {
 520     printf("max_z (%d) too small - sputtering not possible\n",d3_l.max_z);
 521     return -1;
 522   }
 523
 524   /* sputtering really possible ?*/
 525   if(n_e_loss[d3_l.max_z-1]!=0)
 526     printf("warning: max_z (%d) too small, there may be amorphous volumes\n",
 527            d3_l.max_z);
 528
 529   /*
 530    * start of simulation
 531    */
 532
 533   i=(c_step?c_step:0);
 534   while(i<my_info.steps) {
 535     for(j=0;j<my_info.cpi;j++) {
 536       x_c=get_rand(d3_l.max_x);
 537       y_c=get_rand(d3_l.max_y);
 538       z_c=get_rand_reject(d3_l.max_z,ne_max,n_e_loss);
 539       //z_c=get_rand(d3_l.max_z);
 540       process_cell(&d3_l,x_c,y_c,z_c,&my_info,nel_z[z_c]);
 541     }
 542     distrib_c(&d3_l,&my_info,i,ip_max,c_profile);
 543     i++;
 544     if(i%my_info.save_rate==0) {
 545       dc=DC_OK;
 546       send_data(0);
 547       dc=DC_QUIT;
 548     }
 549     if(i%my_info.s_rate==0) sputter(&d3_l);
 550     if(shut_down) {
 551       free(d3_l.status);
 552       free(d3_l.extra);
 553       free(c_profile);
 554       free(n_e_loss);
 555       free(nel_z);
 556       event_stop(event);
 557     }
 558   }
 559
 560   /* finished */
 561   dc=DC_END;
 562   send_data(0);
 563   dc=DC_QUIT;
 564
 565   /* shutdown/free/close everything now ... */
 566   free(d3_l.status);
 567   free(d3_l.extra);
 568   free(c_profile);
 569   free(n_e_loss);
 570   free(nel_z);
 571
 572   return 1;
 573 }