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
  68 int get_data_and_calc(t_event *event,void *allineed);
  69 int nop(t_event *event,void *allineed);
  70
  71 int usage(char *prog)
  72 {
  73  puts("usage:");
  74  printf("%s -i ip -p port -r/P/n random/profile/neloss file\n",prog);
  75  return 1;
  76 }
  77
  78 /*
  79  * nlsop internal functions
  80  */
  81
  82 int sputter(d3_lattice *d3_l)
  83 {
  84  int i,size;
  85  int offh,offl;
  86
  87  size=d3_l->max_x*d3_l->max_y;
  88  offl=0;
  89  offh=size;
  90
  91  for(i=0;i<d3_l->max_z-1;i++)
  92  {
  93   memcpy(d3_l->status+offl,d3_l->status+offh,size);
  94   memcpy(d3_l->extra+offl,d3_l->extra+offh,size*sizeof(int));
  95   offl=offh;
  96   offh+=size;
  97  }
  98  memset(d3_l->status+offl,0,size);
  99  memset(d3_l->extra+offl,0,size);
 100
 101  return 1;
 102 }
 103
 104 int process_cell(d3_lattice *d3_l,u32 x,u32 y,u32 z,info *my_info,u32 nel_z)
 105 {
 106  unsigned char *thiz;
 107  int *conc;
 108  int i,j;
 109  int off;
 110  double p,q;
 111
 112  thiz=d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 113  conc=d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 114  //p=my_info->b*nel_z; // energieuebertrag prop zu nukl. bk
 115  p=my_info->b*URAND_MAX; // konstanter energieuebertrag
 116  for(i=-(my_info->range);i<=my_info->range;i++)
 117  {
 118   for(j=-(my_info->range);j<=my_info->range;j++)
 119   {
 120    if(!(i==0 && j==0))
 121    {
 122     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;
 123     if(*(d3_l->status+off)&AMORPH) p+=my_info->s*(*(d3_l->extra+off))*URAND_MAX/(i*i+j*j);
 124    }
 125   }
 126  }
 127  p+=*conc*my_info->c*URAND_MAX;
 128  if(p>=URAND_MAX) MAKE_AMORPH(thiz);
 129  else {
 130   if(!(*thiz&AMORPH)) {
 131    if(get_rand(URAND_MAX)<=p) MAKE_AMORPH(thiz);
 132   }
 133   else {
 134    /* assume 1-p probability */
 135    /* also look for neighbours ! */
 136    q=(URAND_MAX-p)>0?URAND_MAX-p:0;
 137    j=0;
 138    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;
 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+((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;
 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*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;
 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
 145    p+=((q/6)*j);
 146    if(p<=URAND_MAX) {
 147     if(get_rand(URAND_MAX)>p) MAKE_CRYST(thiz);
 148    }
 149   }
 150  }
 151
 152  return 1;
 153 }
 154
 155 int distrib_c(d3_lattice *d3_l,info *my_info,int step,u32 rj_m,u32 *rj_g)
 156 {
 157  u32 x,y,z;
 158  int i,j,k,c;
 159  int offset,off;
 160  int carry;
 161
 162  /* put one c ion somewhere in the lattice */
 163  x=get_rand(d3_l->max_x);
 164  y=get_rand(d3_l->max_y);
 165  z=get_rand_reject(d3_l->max_z,rj_m,rj_g);
 166  *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)+=1;
 167  (my_info->cc)++;
 168
 169  if(step%my_info->diff_rate==0)
 170  {
 171
 172  for(i=0;i<d3_l->max_x;i++)
 173  {
 174   for(j=0;j<d3_l->max_y;j++)
 175   {
 176    for(k=0;k<d3_l->max_z;k++)
 177    {
 178     offset=i+j*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 179     /* case amorph: amorph <- cryst diffusion */
 180     if(*(d3_l->status+offset)&AMORPH)
 181     {
 182      for(c=-1;c<=1;c++)
 183      {
 184       if(c!=0)
 185       {
 186        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;
 187        carry=0;
 188        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 189        if(carry!=0)
 190        {
 191         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 192         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 193        }
 194       }
 195      }
 196      for(c=-1;c<=1;c++)
 197      {
 198       if(c!=0)
 199       {
 200        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;
 201        carry=0;
 202        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 203        if(carry!=0)
 204        {
 205         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 206         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 207        }
 208       }
 209      }
 210      /* diff in z direction */
 211      if(k!=0)
 212      {
 213       off=i+j*d3_l->max_x+(k-1)*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 214       carry=0;
 215       if(!*(d3_l->status+off)&AMORPH) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 216       if(carry!=0)
 217       {
 218        *(d3_l->extra+off)-=carry;
 219        *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 220       }
 221      }
 222      if(k!=d3_l->max_z-1)
 223      {
 224       off=i+j*d3_l->max_x+(k+1)*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 225       carry=0;
 226       if(!*(d3_l->status+off)&AMORPH) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 227       if(carry!=0)
 228       {
 229        *(d3_l->extra+off)-=carry;
 230        *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 231       }
 232      }
 233     }
 234    } /* for z */
 235   } /* for y */
 236  } /* for x */
 237
 238  } /* if step modulo diff_rate == 0 */
 239
 240  return 1;
 241 }
 242
 243 u32 get_reject_graph(info *my_info,d3_lattice *d3_l,char *file,u32 *graph) {
 244  double a,b;
 245  int i,j,k;
 246  int fd;
 247  char buf[32],*p;
 248  unsigned char *flag;
 249  u32 max;
 250
 251  max=0;
 252  if((fd=open(file,O_RDONLY))<0)
 253  {
 254   puts("cannot open file to calculate rejection graph");
 255   return -1;
 256  }
 257  if((flag=(unsigned char *)malloc(d3_l->max_z))==NULL)
 258  {
 259   puts("cannot malloc flag memory for rejection graph");
 260   return -1;
 261  }
 262  memset(flag,0,d3_l->max_z);
 263  memset(graph,0,d3_l->max_z*sizeof(u32));
 264  /* get fixpoints */
 265  k=1;
 266  while(k)
 267  {
 268   for(i=0;i<32;i++)
 269   {
 270    k=read(fd,&buf[i],1);
 271    if((buf[i]=='\n')||(k==0)) break;
 272   }
 273   if(k)
 274   {
 275    p=strtok(buf," ");
 276    a=atof(p)/10; /* nm */
 277    p=strtok(NULL," ");
 278    b=atof(p);
 279    if(a>d3_l->max_z*CELL_LENGTH) k=0;
 280    else
 281    {
 282     graph[(int)(a/CELL_LENGTH)]=(int)(URAND_MAX/100*b);
 283     flag[(int)(a/CELL_LENGTH)]=1;
 284    }
 285   }
 286  }
 287  /* do (linear) interpolation here! */
 288  i=0;
 289  a=0;
 290  while(i<d3_l->max_z)
 291  {
 292   /* graph[0] is 0! */
 293   j=i;
 294   i++;
 295   while(flag[i]==0&&i<d3_l->max_z) i++;
 296   for(k=j+1;k<i;k++) graph[k]=(int)((k-j)*((int)graph[i]-(int)graph[j])/(i-j))+graph[j];
 297   if(graph[i]>max) max=graph[i];
 298  }
 299
 300  free(flag);
 301
 302 #ifdef DEBUG_INTERPOL_PROFILE
 303  printf("debug: %s (interpolated profile)\n",file);
 304  for(i=0;i<d3_l->max_z;i++) printf("%d %d\n",i,graph[i]);
 305 #endif
 306
 307  return max;
 308 }
 309
 310 void send_data(int signum) {
 311
 312   int c;
 313
 314   c=gd3_l->max_x*gd3_l->max_y*gd3_l->max_z;
 315
 316   network_send_chan(gnet,0,&dc,1);
 317   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gd3_l,sizeof(d3_lattice));
 318   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gmy_info,sizeof(info));
 319   network_send_chan(gnet,0,gd3_l->status,c*sizeof(unsigned char));
 320   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gd3_l->extra,c*sizeof(int));
 321   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gi,sizeof(int));
 322 }
 323
 324
 325 /*
 326  * main program
 327  */
 328
 329 int main(int argc,char **argv)
 330 {
 331
 332   char server_ip[16];
 333   int port;
 334   t_net net;
 335   t_event event;
 336   unsigned char data[256];
 337   int i;
 338
 339   gnet=&net;
 340
 341   /* default values */
 342   strcpy(server_ip,"137.250.82.105");
 343   strcpy(p_file,IMP_PROFILE);
 344   strcpy(n_e_file,NEL_PROFILE);
 345   strcpy(r_file,"");
 346   port=1025;
 347
 348   /* parse/check argv */
 349   for(i=1;i<argc;i++) {
 350     if(argv[i][0]=='-') {
 351       switch(argv[i][1]) {
 352         case 'h':
 353           usage(argv[0]);
 354           return -1;
 355         case 'i':
 356           strncpy(server_ip,argv[++i],16);
 357           break;
 358         case 'r':
 359           strcpy(r_file,argv[++i]);
 360           break;
 361         case 'P':
 362           strcpy(p_file,argv[++i]);
 363           break;
 364         case 'n':
 365           strcpy(n_e_file,argv[++i]);
 366           break;
 367         case 'p':
 368           port=atoi(argv[++i]);
 369           break;
 370         default:
 371           usage(argv[0]);
 372           return -1;
 373       }
 374     }
 375   }
 376   if(!strcmp(server_ip,"")) {
 377     usage(argv[0]);
 378     return -1;
 379   }
 380
 381   /* event init */
 382   event_init(&event,1);
 383   event_set_timeout(&event,0,0);
 384
 385   /* connect to server */
 386   network_init(&net,1);
 387   network_set_connection_info(&net,0,server_ip,port);
 388   if(network_connect(&net,0)==N_E_CONNECT) {
 389     printf("unable to connect to server, aborting ...\n");
 390     return -1;
 391   }
 392   network_select(&net,0);
 393
 394   /* tell server: i am a client, i may work for you */
 395   data[0]=NLSOP_CLIENT;
 396   network_send(net.connection[0].fd,data,1);
 397
 398   /* wait for job */
 399   event_math(net.connection[0].fd,&event,READ,ADD);
 400   printf("idle, waiting for jobs ...\n");
 401   event_start(&event,NULL,get_data_and_calc,nop);
 402
 403   return 1;
 404 }
 405
 406 int nop(t_event *event,void *allineed) {
 407
 408   printf("\ni did a nop :)\n");
 409
 410   return 1;
 411 }
 412
 413 int get_data_and_calc(t_event *event,void *allineed) {
 414
 415   d3_lattice d3_l;
 416   info my_info;
 417   u32 *c_profile;
 418   u32 *n_e_loss;
 419   u32 ne_max,ip_max;
 420   u32 *nel_z;
 421   u32 x_c,y_c,z_c;
 422   int i,j;
 423   int c_step;
 424   unsigned char data;
 425
 426   t_net *net;
 427
 428   c_step=0;
 429   ne_max=0;
 430   ip_max=0;
 431
 432   net=gnet;
 433   gd3_l=&d3_l;
 434   gmy_info=&my_info;
 435   gi=&i;
 436   dc=0;
 437
 438   printf("got a new job ...\n");
 439
 440   /* get info (+data) */
 441   network_receive(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 442   if(data==NLSOP_NJOB || data==NLSOP_CJOB) {
 443     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&d3_l,
 444                     sizeof(d3_lattice));
 445     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&my_info,
 446                     sizeof(info));
 447     c_step=0;
 448     j=d3_l.max_x*d3_l.max_y*d3_l.max_z;
 449     d3_l.status=(unsigned char *)malloc(j*sizeof(unsigned char));
 450     if(d3_l.status==NULL) {
 451       printf("status alloc failed\n");
 452       return -1;
 453     }
 454     d3_l.extra=(int *)malloc(j*sizeof(int));
 455     if(d3_l.extra==NULL) {
 456       printf("extra malloc failed\n");
 457       return -1;
 458     }
 459     if(data==NLSOP_CJOB) {
 460       data=DATA_OK;
 461       network_receive(net->connection[0].fd,d3_l.status,
 462                       j*sizeof(unsigned char));
 463       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 464       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)d3_l.extra,
 465                       j*sizeof(int));
 466       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 467       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&c_step,
 468                       sizeof(int));
 469       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 470     }
 471   }
 472   else {
 473     printf("unknown instruction, restarting ...\n");
 474     return -1;
 475   }
 476
 477   printf("starting simulation with following parameters:\n");
 478   printf("b = %f | c = %f | s = %f\n",my_info.b,my_info.c,my_info.s);
 479   printf("diff every %d steps | diff rate = %f\n",my_info.diff_rate,
 480                                                   my_info.dr_ac);
 481   printf("current step: %d | total steps: %d\n",c_step,my_info.steps);
 482   printf("...\n");
 483
 484   /* care for signals */
 485   dc=DC_QUIT;
 486   signal(SIGTERM,send_data);
 487
 488   /* rand init */
 489   if(!strcmp(r_file,"")) rand_init(NULL);
 490   else rand_init(r_file);
 491
 492   /* compute graphs for random number rejection method */
 493   if((c_profile=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 494     puts("failed allocating memory for carbon profile graph");
 495     return -1;
 496   }
 497   if((n_e_loss=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 498     puts("failed allocating memory for nuclear energy loss graph");
 499     return -1;
 500   }
 501   ip_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,p_file,c_profile);
 502   ne_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,n_e_file,n_e_loss);
 503
 504   /* array nel_z[] keeping nuclear energy loss values scaled to URAND_MAX */
 505   nel_z=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int));
 506   if(nel_z==NULL) {
 507     printf("failed allocating nel_z array mem\n");
 508     return -1;
 509   }
 510   for(i=0;i<d3_l.max_z;i++) nel_z[i]=URAND_MAX*(1.0*n_e_loss[i]/ne_max);
 511
 512   /* this should be obsolete - z is high enough - we check now! */
 513   if(c_profile[d3_l.max_z-1]!=0) {
 514     printf("max_z (%d) too small - sputtering not possible\n",d3_l.max_z);
 515     return -1;
 516   }
 517
 518   /* sputtering really possible ?*/
 519   if(n_e_loss[d3_l.max_z-1]!=0)
 520     printf("warning: max_z (%d) too small, there may be amorphous volumes\n",
 521            d3_l.max_z);
 522
 523   /*
 524    * start of simulation
 525    */
 526
 527   i=(c_step?c_step:0);
 528   while(i<my_info.steps) {
 529     for(j=0;j<my_info.cpi;j++) {
 530       x_c=get_rand(d3_l.max_x);
 531       y_c=get_rand(d3_l.max_y);
 532       z_c=get_rand_reject(d3_l.max_z,ne_max,n_e_loss);
 533       //z_c=get_rand(d3_l.max_z);
 534       process_cell(&d3_l,x_c,y_c,z_c,&my_info,nel_z[z_c]);
 535     }
 536     distrib_c(&d3_l,&my_info,i,ip_max,c_profile);
 537     i++;
 538     if(i%my_info.save_rate==0) {
 539       dc=DC_OK;
 540       send_data(0);
 541       dc=DC_QUIT;
 542     }
 543     if(i%my_info.s_rate==0) sputter(&d3_l);
 544   }
 545
 546   /* finished */
 547   dc=DC_END;
 548   send_data(0);
 549   dc=DC_QUIT;
 550
 551   /* shutdown/free/close everything now ... */
 552   free(d3_l.status);
 553   free(d3_l.extra);
 554   free(c_profile);
 555   free(n_e_loss);
 556   free(nel_z);
 557
 558   return 1;
 559 }