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;
 115  for(i=-(my_info->range);i<=my_info->range;i++)
 116  {
 117   for(j=-(my_info->range);j<=my_info->range;j++)
 118   {
 119    if(!(i==0 && j==0))
 120    {
 121     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;
 122     if(*(d3_l->status+off)&AMORPH) p+=my_info->s*(*(d3_l->extra+off))*URAND_MAX/(i*i+j*j);
 123    }
 124   }
 125  }
 126  p+=*conc*my_info->c*URAND_MAX;
 127  if(!(*thiz&AMORPH))
 128  {
 129   if(get_rand(URAND_MAX)<=p) MAKE_AMORPH(thiz);
 130  } else
 131  {
 132   /* assume 1-p probability */
 133   /* also look for neighbours ! */
 134   q=(URAND_MAX-p)>0?URAND_MAX-p:0;
 135   j=0;
 136   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;
 137   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;
 138   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;
 139   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;
 140   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;
 141   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;
 142
 143   p+=((q/6)*j);
 144   if(get_rand(URAND_MAX)>p) MAKE_CRYST(thiz);
 145  }
 146
 147  return 1;
 148 }
 149
 150 int distrib_c(d3_lattice *d3_l,info *my_info,int step,u32 rj_m,u32 *rj_g)
 151 {
 152  u32 x,y,z;
 153  int i,j,k,c;
 154  int offset,off;
 155  int carry;
 156
 157  /* put one c ion somewhere in the lattice */
 158  x=get_rand(d3_l->max_x);
 159  y=get_rand(d3_l->max_y);
 160  z=get_rand_reject(d3_l->max_z,rj_m,rj_g);
 161  *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)+=1;
 162  (my_info->cc)++;
 163
 164  if(step%my_info->diff_rate==0)
 165  {
 166
 167  for(i=0;i<d3_l->max_x;i++)
 168  {
 169   for(j=0;j<d3_l->max_y;j++)
 170   {
 171    for(k=0;k<d3_l->max_z;k++)
 172    {
 173     offset=i+j*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 174     /* case amorph: amorph <- cryst diffusion */
 175     if(*(d3_l->status+offset)&AMORPH)
 176     {
 177      for(c=-1;c<=1;c++)
 178      {
 179       if(c!=0)
 180       {
 181        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;
 182        carry=0;
 183        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 184        if(carry!=0)
 185        {
 186         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 187         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 188        }
 189       }
 190      }
 191      for(c=-1;c<=1;c++)
 192      {
 193       if(c!=0)
 194       {
 195        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;
 196        carry=0;
 197        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 198        if(carry!=0)
 199        {
 200         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 201         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 202        }
 203       }
 204      }
 205      /* diff in z direction */
 206      if(k!=0)
 207      {
 208       off=i+j*d3_l->max_x+(k-1)*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 209       carry=0;
 210       if(!*(d3_l->status+off)&AMORPH) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 211       if(carry!=0)
 212       {
 213        *(d3_l->extra+off)-=carry;
 214        *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 215       }
 216      }
 217      if(k!=d3_l->max_z-1)
 218      {
 219       off=i+j*d3_l->max_x+(k+1)*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 220       carry=0;
 221       if(!*(d3_l->status+off)&AMORPH) carry=(int)(my_info->dr_ac*(*(d3_l->extra+off)));
 222       if(carry!=0)
 223       {
 224        *(d3_l->extra+off)-=carry;
 225        *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 226       }
 227      }
 228     }
 229    } /* for z */
 230   } /* for y */
 231  } /* for x */
 232
 233  } /* if step modulo diff_rate == 0 */
 234
 235  return 1;
 236 }
 237
 238 u32 get_reject_graph(info *my_info,d3_lattice *d3_l,char *file,u32 *graph) {
 239  double a,b;
 240  int i,j,k;
 241  int fd;
 242  char buf[32],*p;
 243  unsigned char *flag;
 244  u32 max;
 245
 246  max=0;
 247  if((fd=open(file,O_RDONLY))<0)
 248  {
 249   puts("cannot open file to calculate rejection graph");
 250   return -1;
 251  }
 252  if((flag=(unsigned char *)malloc(d3_l->max_z))==NULL)
 253  {
 254   puts("cannot malloc flag memory for rejection graph");
 255   return -1;
 256  }
 257  memset(flag,0,d3_l->max_z);
 258  memset(graph,0,d3_l->max_z*sizeof(u32));
 259  /* get fixpoints */
 260  k=1;
 261  while(k)
 262  {
 263   for(i=0;i<32;i++)
 264   {
 265    k=read(fd,&buf[i],1);
 266    if((buf[i]=='\n')||(k==0)) break;
 267   }
 268   if(k)
 269   {
 270    p=strtok(buf," ");
 271    a=atof(p)/10; /* nm */
 272    p=strtok(NULL," ");
 273    b=atof(p);
 274    if(a>d3_l->max_z*CELL_LENGTH) k=0;
 275    else
 276    {
 277     graph[(int)(a/CELL_LENGTH)]=(int)(URAND_MAX/100*b);
 278     flag[(int)(a/CELL_LENGTH)]=1;
 279    }
 280   }
 281  }
 282  /* do (linear) interpolation here! */
 283  i=0;
 284  a=0;
 285  while(i<d3_l->max_z)
 286  {
 287   /* graph[0] is 0! */
 288   j=i;
 289   i++;
 290   while(flag[i]==0&&i<d3_l->max_z) i++;
 291   for(k=j+1;k<i;k++) graph[k]=(int)((k-j)*((int)graph[i]-(int)graph[j])/(i-j))+graph[j];
 292   if(graph[i]>max) max=graph[i];
 293  }
 294
 295  free(flag);
 296
 297 #ifdef DEBUG_INTERPOL_PROFILE
 298  printf("debug: %s (interpolated profile)\n",file);
 299  for(i=0;i<d3_l->max_z;i++) printf("%d %d\n",i,graph[i]);
 300 #endif
 301
 302  return max;
 303 }
 304
 305 void send_data(int signum) {
 306
 307   int c;
 308
 309   c=gd3_l->max_x*gd3_l->max_y*gd3_l->max_z;
 310
 311   network_send_chan(gnet,0,&dc,1);
 312   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gd3_l,sizeof(d3_lattice));
 313   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gmy_info,sizeof(info));
 314   network_send_chan(gnet,0,gd3_l->status,c*sizeof(unsigned char));
 315   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gd3_l->extra,c*sizeof(int));
 316   network_send_chan(gnet,0,(unsigned char *)gi,sizeof(int));
 317 }
 318
 319
 320 /*
 321  * main program
 322  */
 323
 324 int main(int argc,char **argv)
 325 {
 326
 327   char server_ip[16];
 328   int port;
 329   t_net net;
 330   t_event event;
 331   unsigned char data[256];
 332   int i;
 333
 334   gnet=&net;
 335
 336   /* default values */
 337   strcpy(server_ip,"137.250.82.105");
 338   strcpy(p_file,IMP_PROFILE);
 339   strcpy(n_e_file,NEL_PROFILE);
 340   strcpy(r_file,"");
 341   port=1025;
 342
 343   /* parse/check argv */
 344   for(i=1;i<argc;i++) {
 345     if(argv[i][0]=='-') {
 346       switch(argv[i][1]) {
 347         case 'h':
 348           usage(argv[0]);
 349           return -1;
 350         case 'i':
 351           strncpy(server_ip,argv[++i],16);
 352           break;
 353         case 'r':
 354           strcpy(r_file,argv[++i]);
 355           break;
 356         case 'P':
 357           strcpy(p_file,argv[++i]);
 358           break;
 359         case 'n':
 360           strcpy(n_e_file,argv[++i]);
 361           break;
 362         case 'p':
 363           port=atoi(argv[++i]);
 364           break;
 365         default:
 366           usage(argv[0]);
 367           return -1;
 368       }
 369     }
 370   }
 371   if(!strcmp(server_ip,"")) {
 372     usage(argv[0]);
 373     return -1;
 374   }
 375
 376   /* event init */
 377   event_init(&event,1);
 378   event_set_timeout(&event,0,0);
 379
 380   /* connect to server */
 381   network_init(&net,1);
 382   network_set_connection_info(&net,0,server_ip,port);
 383   if(network_connect(&net,0)==N_E_CONNECT) {
 384     printf("unable to connect to server, aborting ...\n");
 385     return -1;
 386   }
 387   network_select(&net,0);
 388
 389   /* tell server: i am a client, i may work for you */
 390   data[0]=NLSOP_CLIENT;
 391   network_send(net.connection[0].fd,data,1);
 392
 393   /* wait for job */
 394   event_math(net.connection[0].fd,&event,READ,ADD);
 395   printf("idle, waiting for jobs ...\n");
 396   event_start(&event,NULL,get_data_and_calc,nop);
 397
 398   return 1;
 399 }
 400
 401 int nop(t_event *event,void *allineed) {
 402
 403   printf("\ni did a nop :)\n");
 404
 405   return 1;
 406 }
 407
 408 int get_data_and_calc(t_event *event,void *allineed) {
 409
 410   d3_lattice d3_l;
 411   info my_info;
 412   u32 *c_profile;
 413   u32 *n_e_loss;
 414   u32 ne_max,ip_max;
 415   u32 *nel_z;
 416   u32 x_c,y_c,z_c;
 417   int i,j;
 418   int c_step;
 419   unsigned char data;
 420
 421   t_net *net;
 422
 423   c_step=0;
 424   ne_max=0;
 425   ip_max=0;
 426
 427   net=gnet;
 428   gd3_l=&d3_l;
 429   gmy_info=&my_info;
 430   gi=&i;
 431   dc=0;
 432
 433   printf("got a new job ...\n");
 434
 435   /* get info (+data) */
 436   network_receive(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 437   if(data==NLSOP_NJOB || data==NLSOP_CJOB) {
 438     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&d3_l,
 439                     sizeof(d3_lattice));
 440     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&my_info,
 441                     sizeof(info));
 442     c_step=0;
 443     j=d3_l.max_x*d3_l.max_y*d3_l.max_z;
 444     d3_l.status=(unsigned char *)malloc(j*sizeof(unsigned char));
 445     if(d3_l.status==NULL) {
 446       printf("status alloc failed\n");
 447       return -1;
 448     }
 449     d3_l.extra=(int *)malloc(j*sizeof(int));
 450     if(d3_l.extra==NULL) {
 451       printf("extra malloc failed\n");
 452       return -1;
 453     }
 454     if(data==NLSOP_CJOB) {
 455       data=DATA_OK;
 456       network_receive(net->connection[0].fd,d3_l.status,
 457                       j*sizeof(unsigned char));
 458       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 459       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)d3_l.extra,
 460                       j*sizeof(int));
 461       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 462       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&c_step,
 463                       sizeof(int));
 464       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 465     }
 466   }
 467   else {
 468     printf("unknown instruction, restarting ...\n");
 469     return -1;
 470   }
 471
 472   printf("starting simulation with following parameters:\n");
 473   printf("b = %f | c = %f | s = %f\n",my_info.b,my_info.c,my_info.s);
 474   printf("diff every %d steps | diff rate = %f\n",my_info.diff_rate,
 475                                                   my_info.dr_ac);
 476   printf("current step: %d | total steps: %d\n",c_step,my_info.steps);
 477   printf("...\n");
 478
 479   /* care for signals */
 480   dc=DC_QUIT;
 481   signal(SIGTERM,send_data);
 482
 483   /* rand init */
 484   if(!strcmp(r_file,"")) rand_init(NULL);
 485   else rand_init(r_file);
 486
 487   /* compute graphs for random number rejection method */
 488   if((c_profile=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 489     puts("failed allocating memory for carbon profile graph");
 490     return -1;
 491   }
 492   if((n_e_loss=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 493     puts("failed allocating memory for nuclear energy loss graph");
 494     return -1;
 495   }
 496   ip_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,p_file,c_profile);
 497   ne_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,n_e_file,n_e_loss);
 498
 499   /* array nel_z[] keeping nuclear energy loss values scaled to URAND_MAX */
 500   nel_z=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int));
 501   if(nel_z==NULL) {
 502     printf("failed allocating nel_z array mem\n");
 503     return -1;
 504   }
 505   for(i=0;i<d3_l.max_z;i++) nel_z[i]=URAND_MAX*(1.0*n_e_loss[i]/ne_max);
 506
 507   /* this should be obsolete - z is high enough - we check now! */
 508   if(c_profile[d3_l.max_z-1]!=0) {
 509     printf("max_z (%d) too small - sputtering not possible\n",d3_l.max_z);
 510     return -1;
 511   }
 512
 513   /* sputtering really possible ?*/
 514   if(n_e_loss[d3_l.max_z-1]!=0)
 515     printf("warning: max_z (%d) too small, there may be amorphous volumes\n",
 516            d3_l.max_z);
 517
 518   /*
 519    * start of simulation
 520    */
 521
 522   i=(c_step?c_step:0);
 523   while(i<my_info.steps) {
 524     for(j=0;j<my_info.cpi;j++) {
 525       x_c=get_rand(d3_l.max_x);
 526       y_c=get_rand(d3_l.max_y);
 527 #ifdef NEL_Z
 528       z_c=get_rand_reject(d3_l.max_z,ne_max,n_e_loss);
 529 #else
 530       z_c=get_rand(d3_l.max_z);
 531 #fi
 532       process_cell(&d3_l,x_c,y_c,z_c,&my_info,nel_z[z_c]);
 533     }
 534     distrib_c(&d3_l,&my_info,i,ip_max,c_profile);
 535     i++;
 536     if(i%my_info.save_rate==0) {
 537       dc=DC_OK;
 538       send_data(0);
 539       dc=DC_QUIT;
 540     }
 541     if(i%my_info.s_rate==0) sputter(&d3_l);
 542   }
 543
 544   /* finished */
 545   dc=DC_END;
 546   send_data(0);
 547   dc=DC_QUIT;
 548
 549   /* shutdown/free/close everything now ... */
 550   free(d3_l.status);
 551   free(d3_l.extra);
 552   free(c_profile);
 553   free(n_e_loss);
 554   free(nel_z);
 555
 556   return 1;
 557 }