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   unsigned char data;
 309
 310   c=gd3_l->max_x*gd3_l->max_y*gd3_l->max_z;
 311
 312   printf("%d <-\n",c);
 313
 314   network_send(gnet->connection[0].fd,&dc,1);
 315   /*
 316   network_send(gnet->connection[0].fd,(unsigned char *)gd3_l,
 317                sizeof(d3_lattice));
 318   network_send(gnet->connection[0].fd,(unsigned char *)gmy_info,sizeof(info));
 319   */
 320   printf("debug: sent dc\n");
 321   network_send(gnet->connection[0].fd,gd3_l->status,c*sizeof(unsigned char));
 322   network_receive(gnet->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 323   printf("debug: sent ac\n");
 324   network_send(gnet->connection[0].fd,(unsigned char *)gd3_l->extra,
 325                c*sizeof(int));
 326   network_receive(gnet->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 327   printf("debug: sent cc\n");
 328   network_send(gnet->connection[0].fd,(unsigned char *)gi,sizeof(int));
 329   network_receive(gnet->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 330
 331 }
 332
 333
 334 /*
 335  * main program
 336  */
 337
 338 int main(int argc,char **argv)
 339 {
 340
 341   char server_ip[16];
 342   int port;
 343   t_net net;
 344   t_event event;
 345   unsigned char data[256];
 346   int i;
 347
 348   gnet=&net;
 349
 350   /* default values */
 351   strcpy(server_ip,"");
 352   strcpy(p_file,IMP_PROFILE);
 353   strcpy(n_e_file,NEL_PROFILE);
 354   strcpy(r_file,"");
 355   port=1025;
 356
 357   /* parse/check argv */
 358   for(i=1;i<argc;i++) {
 359     if(argv[i][0]=='-') {
 360       switch(argv[i][1]) {
 361         case 'h':
 362           usage(argv[0]);
 363           return -1;
 364         case 'i':
 365           strncpy(server_ip,argv[++i],16);
 366           break;
 367         case 'r':
 368           strcpy(r_file,argv[++i]);
 369           break;
 370         case 'P':
 371           strcpy(p_file,argv[++i]);
 372           break;
 373         case 'n':
 374           strcpy(n_e_file,argv[++i]);
 375           break;
 376         case 'p':
 377           port=atoi(argv[++i]);
 378           break;
 379         default:
 380           usage(argv[0]);
 381           return -1;
 382       }
 383     }
 384   }
 385   if(!strcmp(server_ip,"")) {
 386     usage(argv[0]);
 387     return -1;
 388   }
 389
 390   /* event init */
 391   event_init(&event,1);
 392   event_set_timeout(&event,0,0);
 393
 394   /* connect to server */
 395   network_init(&net,1);
 396   network_set_connection_info(&net,0,server_ip,port);
 397   if(network_connect(&net,0)==N_E_CONNECT) {
 398     printf("unable to connect to server, aborting ...\n");
 399     return -1;
 400   }
 401   network_select(&net,0);
 402
 403   /* tell server: i am a client, i may work for you */
 404   data[0]=NLSOP_CLIENT;
 405   network_send(net.connection[0].fd,data,1);
 406
 407   /* wait for job */
 408   event_math(net.connection[0].fd,&event,READ,ADD);
 409   printf("idle, waiting for jobs ...\n");
 410   event_start(&event,NULL,get_data_and_calc,nop);
 411
 412   return 1;
 413 }
 414
 415 int nop(t_event *event,void *allineed) {
 416
 417   return 1;
 418 }
 419
 420 int get_data_and_calc(t_event *event,void *allineed) {
 421
 422   d3_lattice d3_l;
 423   info my_info;
 424   u32 *c_profile;
 425   u32 *n_e_loss;
 426   u32 ne_max,ip_max;
 427   u32 *nel_z;
 428   u32 x_c,y_c,z_c;
 429   int i,j;
 430   int c_step;
 431   unsigned char data;
 432
 433   t_net *net;
 434
 435   c_step=0;
 436   ne_max=0;
 437   ip_max=0;
 438
 439   net=gnet;
 440   gd3_l=&d3_l;
 441   gmy_info=&my_info;
 442   gi=&i;
 443   dc=0;
 444
 445   printf("got a new job ...\n");
 446
 447   /* get info (+data) */
 448   network_receive(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 449   if(data==NLSOP_NJOB || data==NLSOP_CJOB) {
 450     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&d3_l,
 451                     sizeof(d3_lattice));
 452     network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&my_info,
 453                     sizeof(info));
 454     c_step=0;
 455     j=d3_l.max_x*d3_l.max_y*d3_l.max_z;
 456     d3_l.status=(unsigned char *)malloc(j*sizeof(unsigned char));
 457     if(d3_l.status==NULL) {
 458       printf("status alloc failed\n");
 459       return -1;
 460     }
 461     d3_l.extra=(int *)malloc(j*sizeof(int));
 462     if(d3_l.extra==NULL) {
 463       printf("extra malloc failed\n");
 464       return -1;
 465     }
 466     if(data==NLSOP_CJOB) {
 467       data=DATA_OK;
 468       network_receive(net->connection[0].fd,d3_l.status,
 469                       j*sizeof(unsigned char));
 470       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 471       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)d3_l.extra,
 472                       j*sizeof(int));
 473       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 474       network_receive(net->connection[0].fd,(unsigned char *)&c_step,
 475                       sizeof(int));
 476       network_send(net->connection[0].fd,&data,sizeof(unsigned char));
 477     }
 478   }
 479   else {
 480     printf("unknown instruction, restarting ...\n");
 481     return -1;
 482   }
 483
 484   printf("starting simulation with following parameters:\n");
 485   printf("b = %f | c = %f | s = %f\n",my_info.b,my_info.c,my_info.s);
 486   printf("diff every %d steps | diff rate = %f\n",my_info.diff_rate,
 487                                                   my_info.dr_ac);
 488   printf("current step: %d | total steps: %d\n",c_step,my_info.steps);
 489   printf("...\n");
 490
 491   /* care for signals */
 492   dc=DC_QUIT;
 493   signal(SIGTERM,send_data);
 494
 495   /* rand init */
 496   if(!strcmp(r_file,"")) rand_init(NULL);
 497   else rand_init(r_file);
 498
 499   /* compute graphs for random number rejection method */
 500   if((c_profile=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 501     puts("failed allocating memory for carbon profile graph");
 502     return -1;
 503   }
 504   if((n_e_loss=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int)))==NULL) {
 505     puts("failed allocating memory for nuclear energy loss graph");
 506     return -1;
 507   }
 508   ip_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,p_file,c_profile);
 509   ne_max=get_reject_graph(&my_info,&d3_l,n_e_file,n_e_loss);
 510
 511   /* array nel_z[] keeping nuclear energy loss values scaled to URAND_MAX */
 512   nel_z=(u32 *)malloc(d3_l.max_z*sizeof(unsigned int));
 513   if(nel_z==NULL) {
 514     printf("failed allocating nel_z array mem\n");
 515     return -1;
 516   }
 517   for(i=0;i<d3_l.max_z;i++) nel_z[i]=URAND_MAX*(1.0*n_e_loss[i]/ne_max);
 518
 519   /* this should be obsolete - z is high enough - we check now! */
 520   if(c_profile[d3_l.max_z-1]!=0) {
 521     printf("max_z (%d) too small - sputtering not possible\n",d3_l.max_z);
 522     return -1;
 523   }
 524
 525   /* sputtering really possible ?*/
 526   if(n_e_loss[d3_l.max_z-1]!=0)
 527     printf("warning: max_z (%d) too small, there may be amorphous volumes\n",
 528            d3_l.max_z);
 529
 530   /*
 531    * start of simulation
 532    */
 533
 534   i=(c_step?c_step:0);
 535   while(i<my_info.steps) {
 536     for(j=0;j<my_info.cpi;j++) {
 537       x_c=get_rand(d3_l.max_x);
 538       y_c=get_rand(d3_l.max_y);
 539       // z_c=get_rand_reject(d3_l.max_z,ne_max,n_e_loss);
 540       z_c=get_rand(d3_l.max_z);
 541       process_cell(&d3_l,x_c,y_c,z_c,&my_info,nel_z[z_c]);
 542     }
 543     distrib_c(&d3_l,&my_info,i,ip_max,c_profile);
 544     i++;
 545     if(i%my_info.save_rate==0) {
 546       dc=DC_OK;
 547       send_data(0);
 548       dc=DC_QUIT;
 549     }
 550     if(i%my_info.s_rate==0) sputter(&d3_l);
 551   }
 552
 553   /* finished */
 554   dc=DC_END;
 555   send_data(0);
 556   dc=DC_QUIT;
 557
 558   /* shutdown/free/close everything now ... */
 559   free(d3_l.status);
 560   free(d3_l.extra);
 561
 562   return 1;
 563 }