src/gromacs/gmxlib/bondfree.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  *                        VERSION 3.2.0
  11  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  12  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  13  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  14  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  15
  16  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  17  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  18  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  19  * of the License, or (at your option) any later version.
  20  *
  21  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  22  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  23  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  24  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  25  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  26  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  27  *
  28  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  29  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  30  *
  31  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  32  *
  33  * And Hey:
  34  * GROningen Mixture of Alchemy and Childrens' Stories
  35  */
  36 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  37 #include <config.h>
  38 #endif
  39
  40 #include <math.h>
  41 #include "physics.h"
  42 #include "vec.h"
  43 #include "maths.h"
  44 #include "txtdump.h"
  45 #include "bondf.h"
  46 #include "smalloc.h"
  47 #include "pbc.h"
  48 #include "ns.h"
  49 #include "macros.h"
  50 #include "names.h"
  51 #include "gmx_fatal.h"
  52 #include "mshift.h"
  53 #include "main.h"
  54 #include "disre.h"
  55 #include "orires.h"
  56 #include "force.h"
  57 #include "nonbonded.h"
  58
  59 #if !defined GMX_DOUBLE && defined GMX_X86_SSE2
  60 #include "gmx_x86_simd_single.h"
  61 #define SSE_PROPER_DIHEDRALS
  62 #endif
  63
  64 /* Find a better place for this? */
  65 const int cmap_coeff_matrix[] = {
  66     1, 0, -3,  2, 0, 0,  0,  0, -3,  0,  9, -6,  2,  0, -6,  4,
  67     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  3,  0, -9,  6, -2,  0,  6, -4,
  68     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  9, -6,  0,  0, -6,  4,
  69     0, 0,  3, -2, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -9,  6,  0,  0,  6, -4,
  70     0, 0,  0,  0, 1, 0, -3,  2, -2,  0,  6, -4,  1,  0, -3,  2,
  71     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0, -1,  0,  3, -2,  1,  0, -3,  2,
  72     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  2,  0,  0,  3, -2,
  73     0, 0,  0,  0, 0, 0,  3, -2,  0,  0, -6,  4,  0,  0,  3, -2,
  74     0, 1, -2,  1, 0, 0,  0,  0,  0, -3,  6, -3,  0,  2, -4,  2,
  75     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  3, -6,  3,  0, -2,  4, -2,
  76     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  3,  0,  0,  2, -2,
  77     0, 0, -1,  1, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  3, -3,  0,  0, -2,  2,
  78     0, 0,  0,  0, 0, 1, -2,  1,  0, -2,  4, -2,  0,  1, -2,  1,
  79     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0, -1,  2, -1,  0,  1, -2,  1,
  80     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  1, -1,  0,  0, -1,  1,
  81     0, 0,  0,  0, 0, 0, -1,  1,  0,  0,  2, -2,  0,  0, -1,  1
  82 };
  83
  84
  85
  86 int glatnr(int *global_atom_index, int i)
  87 {
  88     int atnr;
  89
  90     if (global_atom_index == NULL)
  91     {
  92         atnr = i + 1;
  93     }
  94     else
  95     {
  96         atnr = global_atom_index[i] + 1;
  97     }
  98
  99     return atnr;
 100 }
 101
 102 static int pbc_rvec_sub(const t_pbc *pbc, const rvec xi, const rvec xj, rvec dx)
 103 {
 104     if (pbc)
 105     {
 106         return pbc_dx_aiuc(pbc, xi, xj, dx);
 107     }
 108     else
 109     {
 110         rvec_sub(xi, xj, dx);
 111         return CENTRAL;
 112     }
 113 }
 114
 115 /*
 116  * Morse potential bond by Frank Everdij
 117  *
 118  * Three parameters needed:
 119  *
 120  * b0 = equilibrium distance in nm
 121  * be = beta in nm^-1 (actually, it's nu_e*Sqrt(2*pi*pi*mu/D_e))
 122  * cb = well depth in kJ/mol
 123  *
 124  * Note: the potential is referenced to be +cb at infinite separation
 125  *       and zero at the equilibrium distance!
 126  */
 127
 128 real morse_bonds(int nbonds,
 129                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 130                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 131                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 132                  real lambda, real *dvdlambda,
 133                  const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 134                  int *global_atom_index)
 135 {
 136     const real one = 1.0;
 137     const real two = 2.0;
 138     real       dr, dr2, temp, omtemp, cbomtemp, fbond, vbond, fij, vtot;
 139     real       b0, be, cb, b0A, beA, cbA, b0B, beB, cbB, L1;
 140     rvec       dx;
 141     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 142     ivec       dt;
 143
 144     vtot = 0.0;
 145     for (i = 0; (i < nbonds); )
 146     {
 147         type = forceatoms[i++];
 148         ai   = forceatoms[i++];
 149         aj   = forceatoms[i++];
 150
 151         b0A   = forceparams[type].morse.b0A;
 152         beA   = forceparams[type].morse.betaA;
 153         cbA   = forceparams[type].morse.cbA;
 154
 155         b0B   = forceparams[type].morse.b0B;
 156         beB   = forceparams[type].morse.betaB;
 157         cbB   = forceparams[type].morse.cbB;
 158
 159         L1 = one-lambda;                            /* 1 */
 160         b0 = L1*b0A + lambda*b0B;                   /* 3 */
 161         be = L1*beA + lambda*beB;                   /* 3 */
 162         cb = L1*cbA + lambda*cbB;                   /* 3 */
 163
 164         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3          */
 165         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5          */
 166         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10          */
 167         temp = exp(-be*(dr-b0));                    /*  12          */
 168
 169         if (temp == one)
 170         {
 171             /* bonds are constrainted. This may _not_ include bond constraints if they are lambda dependent */
 172             *dvdlambda += cbB-cbA;
 173             continue;
 174         }
 175
 176         omtemp    = one-temp;                                                                                        /*   1          */
 177         cbomtemp  = cb*omtemp;                                                                                       /*   1          */
 178         vbond     = cbomtemp*omtemp;                                                                                 /*   1          */
 179         fbond     = -two*be*temp*cbomtemp*gmx_invsqrt(dr2);                                                          /*   9          */
 180         vtot     += vbond;                                                                                           /*   1          */
 181
 182         *dvdlambda += (cbB - cbA) * omtemp * omtemp - (2-2*omtemp)*omtemp * cb * ((b0B-b0A)*be - (beB-beA)*(dr-b0)); /* 15 */
 183
 184         if (g)
 185         {
 186             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 187             ki = IVEC2IS(dt);
 188         }
 189
 190         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 191         {
 192             fij                 = fbond*dx[m];
 193             f[ai][m]           += fij;
 194             f[aj][m]           -= fij;
 195             fshift[ki][m]      += fij;
 196             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 197         }
 198     }                                         /*  83 TOTAL    */
 199     return vtot;
 200 }
 201
 202 real cubic_bonds(int nbonds,
 203                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 204                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 205                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 206                  real lambda, real *dvdlambda,
 207                  const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 208                  int *global_atom_index)
 209 {
 210     const real three = 3.0;
 211     const real two   = 2.0;
 212     real       kb, b0, kcub;
 213     real       dr, dr2, dist, kdist, kdist2, fbond, vbond, fij, vtot;
 214     rvec       dx;
 215     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 216     ivec       dt;
 217
 218     vtot = 0.0;
 219     for (i = 0; (i < nbonds); )
 220     {
 221         type = forceatoms[i++];
 222         ai   = forceatoms[i++];
 223         aj   = forceatoms[i++];
 224
 225         b0   = forceparams[type].cubic.b0;
 226         kb   = forceparams[type].cubic.kb;
 227         kcub = forceparams[type].cubic.kcub;
 228
 229         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 230         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 231
 232         if (dr2 == 0.0)
 233         {
 234             continue;
 235         }
 236
 237         dr         = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                  /*  10          */
 238         dist       = dr-b0;
 239         kdist      = kb*dist;
 240         kdist2     = kdist*dist;
 241
 242         vbond      = kdist2 + kcub*kdist2*dist;
 243         fbond      = -(two*kdist + three*kdist2*kcub)/dr;
 244
 245         vtot      += vbond;   /* 21 */
 246
 247         if (g)
 248         {
 249             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 250             ki = IVEC2IS(dt);
 251         }
 252         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 253         {
 254             fij                 = fbond*dx[m];
 255             f[ai][m]           += fij;
 256             f[aj][m]           -= fij;
 257             fshift[ki][m]      += fij;
 258             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 259         }
 260     }                                         /*  54 TOTAL    */
 261     return vtot;
 262 }
 263
 264 real FENE_bonds(int nbonds,
 265                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 266                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 267                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 268                 real lambda, real *dvdlambda,
 269                 const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 270                 int *global_atom_index)
 271 {
 272     const real half = 0.5;
 273     const real one  = 1.0;
 274     real       bm, kb;
 275     real       dr, dr2, bm2, omdr2obm2, fbond, vbond, fij, vtot;
 276     rvec       dx;
 277     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 278     ivec       dt;
 279
 280     vtot = 0.0;
 281     for (i = 0; (i < nbonds); )
 282     {
 283         type = forceatoms[i++];
 284         ai   = forceatoms[i++];
 285         aj   = forceatoms[i++];
 286
 287         bm   = forceparams[type].fene.bm;
 288         kb   = forceparams[type].fene.kb;
 289
 290         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 291         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 292
 293         if (dr2 == 0.0)
 294         {
 295             continue;
 296         }
 297
 298         bm2 = bm*bm;
 299
 300         if (dr2 >= bm2)
 301         {
 302             gmx_fatal(FARGS,
 303                       "r^2 (%f) >= bm^2 (%f) in FENE bond between atoms %d and %d",
 304                       dr2, bm2,
 305                       glatnr(global_atom_index, ai),
 306                       glatnr(global_atom_index, aj));
 307         }
 308
 309         omdr2obm2  = one - dr2/bm2;
 310
 311         vbond      = -half*kb*bm2*log(omdr2obm2);
 312         fbond      = -kb/omdr2obm2;
 313
 314         vtot      += vbond;   /* 35 */
 315
 316         if (g)
 317         {
 318             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 319             ki = IVEC2IS(dt);
 320         }
 321         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 322         {
 323             fij                 = fbond*dx[m];
 324             f[ai][m]           += fij;
 325             f[aj][m]           -= fij;
 326             fshift[ki][m]      += fij;
 327             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 328         }
 329     }                                         /*  58 TOTAL    */
 330     return vtot;
 331 }
 332
 333 real harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
 334               real *V, real *F)
 335 {
 336     const real half = 0.5;
 337     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
 338     real       v, f, dvdlambda;
 339
 340     L1    = 1.0-lambda;
 341     kk    = L1*kA+lambda*kB;
 342     x0    = L1*xA+lambda*xB;
 343
 344     dx    = x-x0;
 345     dx2   = dx*dx;
 346
 347     f          = -kk*dx;
 348     v          = half*kk*dx2;
 349     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
 350
 351     *F    = f;
 352     *V    = v;
 353
 354     return dvdlambda;
 355
 356     /* That was 19 flops */
 357 }
 358
 359
 360 real bonds(int nbonds,
 361            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 362            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 363            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 364            real lambda, real *dvdlambda,
 365            const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 366            int *global_atom_index)
 367 {
 368     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 369     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 370     rvec dx;
 371     ivec dt;
 372
 373     vtot = 0.0;
 374     for (i = 0; (i < nbonds); )
 375     {
 376         type = forceatoms[i++];
 377         ai   = forceatoms[i++];
 378         aj   = forceatoms[i++];
 379
 380         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 381         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 382         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 383
 384         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 385                                forceparams[type].harmonic.krB,
 386                                forceparams[type].harmonic.rA,
 387                                forceparams[type].harmonic.rB,
 388                                dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 389
 390         if (dr2 == 0.0)
 391         {
 392             continue;
 393         }
 394
 395
 396         vtot  += vbond;            /* 1*/
 397         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 398 #ifdef DEBUG
 399         if (debug)
 400         {
 401             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 402                     dr, vbond, fbond);
 403         }
 404 #endif
 405         if (g)
 406         {
 407             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 408             ki = IVEC2IS(dt);
 409         }
 410         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 411         {
 412             fij                 = fbond*dx[m];
 413             f[ai][m]           += fij;
 414             f[aj][m]           -= fij;
 415             fshift[ki][m]      += fij;
 416             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 417         }
 418     }               /* 59 TOTAL */
 419     return vtot;
 420 }
 421
 422 real restraint_bonds(int nbonds,
 423                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 424                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 425                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 426                      real lambda, real *dvdlambda,
 427                      const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 428                      int *global_atom_index)
 429 {
 430     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 431     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 432     real L1;
 433     real low, dlow, up1, dup1, up2, dup2, k, dk;
 434     real drh, drh2;
 435     rvec dx;
 436     ivec dt;
 437
 438     L1   = 1.0 - lambda;
 439
 440     vtot = 0.0;
 441     for (i = 0; (i < nbonds); )
 442     {
 443         type = forceatoms[i++];
 444         ai   = forceatoms[i++];
 445         aj   = forceatoms[i++];
 446
 447         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 448         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 449         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 450
 451         low  = L1*forceparams[type].restraint.lowA + lambda*forceparams[type].restraint.lowB;
 452         dlow =   -forceparams[type].restraint.lowA +        forceparams[type].restraint.lowB;
 453         up1  = L1*forceparams[type].restraint.up1A + lambda*forceparams[type].restraint.up1B;
 454         dup1 =   -forceparams[type].restraint.up1A +        forceparams[type].restraint.up1B;
 455         up2  = L1*forceparams[type].restraint.up2A + lambda*forceparams[type].restraint.up2B;
 456         dup2 =   -forceparams[type].restraint.up2A +        forceparams[type].restraint.up2B;
 457         k    = L1*forceparams[type].restraint.kA   + lambda*forceparams[type].restraint.kB;
 458         dk   =   -forceparams[type].restraint.kA   +        forceparams[type].restraint.kB;
 459         /* 24 */
 460
 461         if (dr < low)
 462         {
 463             drh         = dr - low;
 464             drh2        = drh*drh;
 465             vbond       = 0.5*k*drh2;
 466             fbond       = -k*drh;
 467             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dlow*drh;
 468         } /* 11 */
 469         else if (dr <= up1)
 470         {
 471             vbond = 0;
 472             fbond = 0;
 473         }
 474         else if (dr <= up2)
 475         {
 476             drh         = dr - up1;
 477             drh2        = drh*drh;
 478             vbond       = 0.5*k*drh2;
 479             fbond       = -k*drh;
 480             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dup1*drh;
 481         } /* 11 */
 482         else
 483         {
 484             drh         = dr - up2;
 485             vbond       = k*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh);
 486             fbond       = -k*(up2 - up1);
 487             *dvdlambda += dk*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh)
 488                 + k*(dup2 - dup1)*(up2 - up1 + drh)
 489                 - k*(up2 - up1)*dup2;
 490         }
 491
 492         if (dr2 == 0.0)
 493         {
 494             continue;
 495         }
 496
 497         vtot  += vbond;            /* 1*/
 498         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 499 #ifdef DEBUG
 500         if (debug)
 501         {
 502             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 503                     dr, vbond, fbond);
 504         }
 505 #endif
 506         if (g)
 507         {
 508             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 509             ki = IVEC2IS(dt);
 510         }
 511         for (m = 0; (m < DIM); m++)             /*  15          */
 512         {
 513             fij                 = fbond*dx[m];
 514             f[ai][m]           += fij;
 515             f[aj][m]           -= fij;
 516             fshift[ki][m]      += fij;
 517             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 518         }
 519     }                   /* 59 TOTAL     */
 520
 521     return vtot;
 522 }
 523
 524 real polarize(int nbonds,
 525               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 526               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 527               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 528               real lambda, real *dvdlambda,
 529               const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 530               int *global_atom_index)
 531 {
 532     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 533     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh;
 534     rvec dx;
 535     ivec dt;
 536
 537     vtot = 0.0;
 538     for (i = 0; (i < nbonds); )
 539     {
 540         type = forceatoms[i++];
 541         ai   = forceatoms[i++];
 542         aj   = forceatoms[i++];
 543         ksh  = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].polarize.alpha;
 544         if (debug)
 545         {
 546             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 547         }
 548
 549         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 550         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 551         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 552
 553         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 554
 555         if (dr2 == 0.0)
 556         {
 557             continue;
 558         }
 559
 560         vtot  += vbond;            /* 1*/
 561         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 562
 563         if (g)
 564         {
 565             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 566             ki = IVEC2IS(dt);
 567         }
 568         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 569         {
 570             fij                 = fbond*dx[m];
 571             f[ai][m]           += fij;
 572             f[aj][m]           -= fij;
 573             fshift[ki][m]      += fij;
 574             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 575         }
 576     }               /* 59 TOTAL */
 577     return vtot;
 578 }
 579
 580 real anharm_polarize(int nbonds,
 581                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 582                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 583                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 584                      real lambda, real *dvdlambda,
 585                      const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 586                      int *global_atom_index)
 587 {
 588     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 589     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh, khyp, drcut, ddr, ddr3;
 590     rvec dx;
 591     ivec dt;
 592
 593     vtot = 0.0;
 594     for (i = 0; (i < nbonds); )
 595     {
 596         type  = forceatoms[i++];
 597         ai    = forceatoms[i++];
 598         aj    = forceatoms[i++];
 599         ksh   = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].anharm_polarize.alpha; /* 7*/
 600         khyp  = forceparams[type].anharm_polarize.khyp;
 601         drcut = forceparams[type].anharm_polarize.drcut;
 602         if (debug)
 603         {
 604             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 605         }
 606
 607         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 608         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 609         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 610
 611         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 612
 613         if (dr2 == 0.0)
 614         {
 615             continue;
 616         }
 617
 618         if (dr > drcut)
 619         {
 620             ddr    = dr-drcut;
 621             ddr3   = ddr*ddr*ddr;
 622             vbond += khyp*ddr*ddr3;
 623             fbond -= 4*khyp*ddr3;
 624         }
 625         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 626         vtot  += vbond;            /* 1*/
 627
 628         if (g)
 629         {
 630             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 631             ki = IVEC2IS(dt);
 632         }
 633         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 634         {
 635             fij                 = fbond*dx[m];
 636             f[ai][m]           += fij;
 637             f[aj][m]           -= fij;
 638             fshift[ki][m]      += fij;
 639             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 640         }
 641     }               /* 72 TOTAL */
 642     return vtot;
 643 }
 644
 645 real water_pol(int nbonds,
 646                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 647                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 648                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 649                real lambda, real *dvdlambda,
 650                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 651                int *global_atom_index)
 652 {
 653     /* This routine implements anisotropic polarizibility for water, through
 654      * a shell connected to a dummy with spring constant that differ in the
 655      * three spatial dimensions in the molecular frame.
 656      */
 657     int  i, m, aO, aH1, aH2, aD, aS, type, type0;
 658     rvec dOH1, dOH2, dHH, dOD, dDS, nW, kk, dx, kdx, proj;
 659 #ifdef DEBUG
 660     rvec df;
 661 #endif
 662     real vtot, fij, r_HH, r_OD, r_nW, tx, ty, tz, qS;
 663
 664     vtot = 0.0;
 665     if (nbonds > 0)
 666     {
 667         type0  = forceatoms[0];
 668         aS     = forceatoms[5];
 669         qS     = md->chargeA[aS];
 670         kk[XX] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_x;
 671         kk[YY] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_y;
 672         kk[ZZ] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_z;
 673         r_HH   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rHH;
 674         r_OD   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rOD;
 675         if (debug)
 676         {
 677             fprintf(debug, "WPOL: qS  = %10.5f aS = %5d\n", qS, aS);
 678             fprintf(debug, "WPOL: kk  = %10.3f        %10.3f        %10.3f\n",
 679                     kk[XX], kk[YY], kk[ZZ]);
 680             fprintf(debug, "WPOL: rOH = %10.3f  rHH = %10.3f  rOD = %10.3f\n",
 681                     forceparams[type0].wpol.rOH,
 682                     forceparams[type0].wpol.rHH,
 683                     forceparams[type0].wpol.rOD);
 684         }
 685         for (i = 0; (i < nbonds); i += 6)
 686         {
 687             type = forceatoms[i];
 688             if (type != type0)
 689             {
 690                 gmx_fatal(FARGS, "Sorry, type = %d, type0 = %d, file = %s, line = %d",
 691                           type, type0, __FILE__, __LINE__);
 692             }
 693             aO   = forceatoms[i+1];
 694             aH1  = forceatoms[i+2];
 695             aH2  = forceatoms[i+3];
 696             aD   = forceatoms[i+4];
 697             aS   = forceatoms[i+5];
 698
 699             /* Compute vectors describing the water frame */
 700             rvec_sub(x[aH1], x[aO], dOH1);
 701             rvec_sub(x[aH2], x[aO], dOH2);
 702             rvec_sub(x[aH2], x[aH1], dHH);
 703             rvec_sub(x[aD], x[aO], dOD);
 704             rvec_sub(x[aS], x[aD], dDS);
 705             cprod(dOH1, dOH2, nW);
 706
 707             /* Compute inverse length of normal vector
 708              * (this one could be precomputed, but I'm too lazy now)
 709              */
 710             r_nW = gmx_invsqrt(iprod(nW, nW));
 711             /* This is for precision, but does not make a big difference,
 712              * it can go later.
 713              */
 714             r_OD = gmx_invsqrt(iprod(dOD, dOD));
 715
 716             /* Normalize the vectors in the water frame */
 717             svmul(r_nW, nW, nW);
 718             svmul(r_HH, dHH, dHH);
 719             svmul(r_OD, dOD, dOD);
 720
 721             /* Compute displacement of shell along components of the vector */
 722             dx[ZZ] = iprod(dDS, dOD);
 723             /* Compute projection on the XY plane: dDS - dx[ZZ]*dOD */
 724             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 725             {
 726                 proj[m] = dDS[m]-dx[ZZ]*dOD[m];
 727             }
 728
 729             /*dx[XX] = iprod(dDS,nW);
 730                dx[YY] = iprod(dDS,dHH);*/
 731             dx[XX] = iprod(proj, nW);
 732             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 733             {
 734                 proj[m] -= dx[XX]*nW[m];
 735             }
 736             dx[YY] = iprod(proj, dHH);
 737             /*#define DEBUG*/
 738 #ifdef DEBUG
 739             if (debug)
 740             {
 741                 fprintf(debug, "WPOL: dx2=%10g  dy2=%10g  dz2=%10g  sum=%10g  dDS^2=%10g\n",
 742                         sqr(dx[XX]), sqr(dx[YY]), sqr(dx[ZZ]), iprod(dx, dx), iprod(dDS, dDS));
 743                 fprintf(debug, "WPOL: dHH=(%10g,%10g,%10g)\n", dHH[XX], dHH[YY], dHH[ZZ]);
 744                 fprintf(debug, "WPOL: dOD=(%10g,%10g,%10g), 1/r_OD = %10g\n",
 745                         dOD[XX], dOD[YY], dOD[ZZ], 1/r_OD);
 746                 fprintf(debug, "WPOL: nW =(%10g,%10g,%10g), 1/r_nW = %10g\n",
 747                         nW[XX], nW[YY], nW[ZZ], 1/r_nW);
 748                 fprintf(debug, "WPOL: dx  =%10g, dy  =%10g, dz  =%10g\n",
 749                         dx[XX], dx[YY], dx[ZZ]);
 750                 fprintf(debug, "WPOL: dDSx=%10g, dDSy=%10g, dDSz=%10g\n",
 751                         dDS[XX], dDS[YY], dDS[ZZ]);
 752             }
 753 #endif
 754             /* Now compute the forces and energy */
 755             kdx[XX] = kk[XX]*dx[XX];
 756             kdx[YY] = kk[YY]*dx[YY];
 757             kdx[ZZ] = kk[ZZ]*dx[ZZ];
 758             vtot   += iprod(dx, kdx);
 759             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 760             {
 761                 /* This is a tensor operation but written out for speed */
 762                 tx        =  nW[m]*kdx[XX];
 763                 ty        = dHH[m]*kdx[YY];
 764                 tz        = dOD[m]*kdx[ZZ];
 765                 fij       = -tx-ty-tz;
 766 #ifdef DEBUG
 767                 df[m] = fij;
 768 #endif
 769                 f[aS][m] += fij;
 770                 f[aD][m] -= fij;
 771             }
 772 #ifdef DEBUG
 773             if (debug)
 774             {
 775                 fprintf(debug, "WPOL: vwpol=%g\n", 0.5*iprod(dx, kdx));
 776                 fprintf(debug, "WPOL: df = (%10g, %10g, %10g)\n", df[XX], df[YY], df[ZZ]);
 777             }
 778 #endif
 779         }
 780     }
 781     return 0.5*vtot;
 782 }
 783
 784 static real do_1_thole(const rvec xi, const rvec xj, rvec fi, rvec fj,
 785                        const t_pbc *pbc, real qq,
 786                        rvec fshift[], real afac)
 787 {
 788     rvec r12;
 789     real r12sq, r12_1, r12n, r12bar, v0, v1, fscal, ebar, fff;
 790     int  m, t;
 791
 792     t      = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r12);                      /*  3 */
 793
 794     r12sq  = iprod(r12, r12);                                     /*  5 */
 795     r12_1  = gmx_invsqrt(r12sq);                                  /*  5 */
 796     r12bar = afac/r12_1;                                          /*  5 */
 797     v0     = qq*ONE_4PI_EPS0*r12_1;                               /*  2 */
 798     ebar   = exp(-r12bar);                                        /*  5 */
 799     v1     = (1-(1+0.5*r12bar)*ebar);                             /*  4 */
 800     fscal  = ((v0*r12_1)*v1 - v0*0.5*afac*ebar*(r12bar+1))*r12_1; /* 9 */
 801     if (debug)
 802     {
 803         fprintf(debug, "THOLE: v0 = %.3f v1 = %.3f r12= % .3f r12bar = %.3f fscal = %.3f  ebar = %.3f\n", v0, v1, 1/r12_1, r12bar, fscal, ebar);
 804     }
 805
 806     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 807     {
 808         fff                 = fscal*r12[m];
 809         fi[m]              += fff;
 810         fj[m]              -= fff;
 811         fshift[t][m]       += fff;
 812         fshift[CENTRAL][m] -= fff;
 813     }             /* 15 */
 814
 815     return v0*v1; /* 1 */
 816     /* 54 */
 817 }
 818
 819 real thole_pol(int nbonds,
 820                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 821                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 822                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 823                real lambda, real *dvdlambda,
 824                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 825                int *global_atom_index)
 826 {
 827     /* Interaction between two pairs of particles with opposite charge */
 828     int  i, type, a1, da1, a2, da2;
 829     real q1, q2, qq, a, al1, al2, afac;
 830     real V = 0;
 831
 832     for (i = 0; (i < nbonds); )
 833     {
 834         type  = forceatoms[i++];
 835         a1    = forceatoms[i++];
 836         da1   = forceatoms[i++];
 837         a2    = forceatoms[i++];
 838         da2   = forceatoms[i++];
 839         q1    = md->chargeA[da1];
 840         q2    = md->chargeA[da2];
 841         a     = forceparams[type].thole.a;
 842         al1   = forceparams[type].thole.alpha1;
 843         al2   = forceparams[type].thole.alpha2;
 844         qq    = q1*q2;
 845         afac  = a*pow(al1*al2, -1.0/6.0);
 846         V    += do_1_thole(x[a1], x[a2], f[a1], f[a2], pbc, qq, fshift, afac);
 847         V    += do_1_thole(x[da1], x[a2], f[da1], f[a2], pbc, -qq, fshift, afac);
 848         V    += do_1_thole(x[a1], x[da2], f[a1], f[da2], pbc, -qq, fshift, afac);
 849         V    += do_1_thole(x[da1], x[da2], f[da1], f[da2], pbc, qq, fshift, afac);
 850     }
 851     /* 290 flops */
 852     return V;
 853 }
 854
 855 real bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
 856                 rvec r_ij, rvec r_kj, real *costh,
 857                 int *t1, int *t2)
 858 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
 859 {
 860     /* 41 FLOPS */
 861     real th;
 862
 863     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
 864     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
 865
 866     *costh = cos_angle(r_ij, r_kj);        /* 25                */
 867     th     = acos(*costh);                 /* 10                */
 868     /* 41 TOTAL */
 869     return th;
 870 }
 871
 872 real angles(int nbonds,
 873             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 874             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 875             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 876             real lambda, real *dvdlambda,
 877             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 878             int *global_atom_index)
 879 {
 880     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type;
 881     rvec r_ij, r_kj;
 882     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
 883     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
 884
 885     vtot = 0.0;
 886     for (i = 0; i < nbonds; )
 887     {
 888         type = forceatoms[i++];
 889         ai   = forceatoms[i++];
 890         aj   = forceatoms[i++];
 891         ak   = forceatoms[i++];
 892
 893         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
 894                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);  /*  41          */
 895
 896         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 897                                forceparams[type].harmonic.krB,
 898                                forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD,
 899                                forceparams[type].harmonic.rB*DEG2RAD,
 900                                theta, lambda, &va, &dVdt);  /*  21  */
 901         vtot += va;
 902
 903         cos_theta2 = sqr(cos_theta);
 904         if (cos_theta2 < 1)
 905         {
 906             int  m;
 907             real st, sth;
 908             real cik, cii, ckk;
 909             real nrkj2, nrij2;
 910             real nrkj_1, nrij_1;
 911             rvec f_i, f_j, f_k;
 912
 913             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
 914             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
 915 #ifdef DEBUG
 916             if (debug)
 917             {
 918                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
 919                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
 920             }
 921 #endif
 922             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);      /*   5              */
 923             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);      /*   5              */
 924
 925             nrij_1 = gmx_invsqrt(nrij2);    /*  10              */
 926             nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2);    /*  10              */
 927
 928             cik = st*nrij_1*nrkj_1;         /*   2              */
 929             cii = sth*nrij_1*nrij_1;        /*   2              */
 930             ckk = sth*nrkj_1*nrkj_1;        /*   2              */
 931
 932             for (m = 0; m < DIM; m++)
 933             {           /*  39          */
 934                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m] - cii*r_ij[m]);
 935                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m] - ckk*r_kj[m]);
 936                 f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
 937                 f[ai][m] += f_i[m];
 938                 f[aj][m] += f_j[m];
 939                 f[ak][m] += f_k[m];
 940             }
 941             if (g != NULL)
 942             {
 943                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
 944
 945                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
 946                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
 947                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
 948                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
 949             }
 950             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
 951             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
 952             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
 953         }                                           /* 161 TOTAL        */
 954     }
 955
 956     return vtot;
 957 }
 958
 959 real linear_angles(int nbonds,
 960                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 961                    const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 962                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 963                    real lambda, real *dvdlambda,
 964                    const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 965                    int *global_atom_index)
 966 {
 967     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type;
 968     rvec f_i, f_j, f_k;
 969     real L1, kA, kB, aA, aB, dr, dr2, va, vtot, a, b, klin;
 970     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
 971     rvec r_ij, r_kj, r_ik, dx;
 972
 973     L1   = 1-lambda;
 974     vtot = 0.0;
 975     for (i = 0; (i < nbonds); )
 976     {
 977         type = forceatoms[i++];
 978         ai   = forceatoms[i++];
 979         aj   = forceatoms[i++];
 980         ak   = forceatoms[i++];
 981
 982         kA   = forceparams[type].linangle.klinA;
 983         kB   = forceparams[type].linangle.klinB;
 984         klin = L1*kA + lambda*kB;
 985
 986         aA   = forceparams[type].linangle.aA;
 987         aB   = forceparams[type].linangle.aB;
 988         a    = L1*aA+lambda*aB;
 989         b    = 1-a;
 990
 991         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
 992         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
 993         rvec_sub(r_ij, r_kj, r_ik);
 994
 995         dr2 = 0;
 996         for (m = 0; (m < DIM); m++)
 997         {
 998             dr        = -a * r_ij[m] - b * r_kj[m];
 999             dr2      += dr*dr;
1000             dx[m]     = dr;
1001             f_i[m]    = a*klin*dr;
1002             f_k[m]    = b*klin*dr;
1003             f_j[m]    = -(f_i[m]+f_k[m]);
1004             f[ai][m] += f_i[m];
1005             f[aj][m] += f_j[m];
1006             f[ak][m] += f_k[m];
1007         }
1008         va          = 0.5*klin*dr2;
1009         *dvdlambda += 0.5*(kB-kA)*dr2 + klin*(aB-aA)*iprod(dx, r_ik);
1010
1011         vtot += va;
1012
1013         if (g)
1014         {
1015             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1016
1017             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1018             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1019             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1020             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1021         }
1022         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1023         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1024         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1025     }                                         /* 57 TOTAL       */
1026     return vtot;
1027 }
1028
1029 real urey_bradley(int nbonds,
1030                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1031                   const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1032                   const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1033                   real lambda, real *dvdlambda,
1034                   const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1035                   int *global_atom_index)
1036 {
1037     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type, ki;
1038     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
1039     real cos_theta, cos_theta2, theta;
1040     real dVdt, va, vtot, dr, dr2, vbond, fbond, fik;
1041     real kthA, th0A, kUBA, r13A, kthB, th0B, kUBB, r13B;
1042     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_ik;
1043
1044     vtot = 0.0;
1045     for (i = 0; (i < nbonds); )
1046     {
1047         type  = forceatoms[i++];
1048         ai    = forceatoms[i++];
1049         aj    = forceatoms[i++];
1050         ak    = forceatoms[i++];
1051         th0A  = forceparams[type].u_b.thetaA*DEG2RAD;
1052         kthA  = forceparams[type].u_b.kthetaA;
1053         r13A  = forceparams[type].u_b.r13A;
1054         kUBA  = forceparams[type].u_b.kUBA;
1055         th0B  = forceparams[type].u_b.thetaB*DEG2RAD;
1056         kthB  = forceparams[type].u_b.kthetaB;
1057         r13B  = forceparams[type].u_b.r13B;
1058         kUBB  = forceparams[type].u_b.kUBB;
1059
1060         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1061                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);                     /*  41               */
1062
1063         *dvdlambda += harmonic(kthA, kthB, th0A, th0B, theta, lambda, &va, &dVdt); /*  21  */
1064         vtot       += va;
1065
1066         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);                               /*   3      */
1067         dr2  = iprod(r_ik, r_ik);                                                   /*   5              */
1068         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                                /*  10              */
1069
1070         *dvdlambda += harmonic(kUBA, kUBB, r13A, r13B, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
1071
1072         cos_theta2 = sqr(cos_theta);                                                /*   1              */
1073         if (cos_theta2 < 1)
1074         {
1075             real st, sth;
1076             real cik, cii, ckk;
1077             real nrkj2, nrij2;
1078             rvec f_i, f_j, f_k;
1079
1080             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1081             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1082 #ifdef DEBUG
1083             if (debug)
1084             {
1085                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1086                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1087             }
1088 #endif
1089             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1090             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1091
1092             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1093             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1094             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1095
1096             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1097             {
1098                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1099                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1100                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1101                 f[ai][m] += f_i[m];
1102                 f[aj][m] += f_j[m];
1103                 f[ak][m] += f_k[m];
1104             }
1105             if (g)
1106             {
1107                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1108
1109                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1110                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1111                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1112                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1113             }
1114             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1115             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1116             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1117         }                                       /* 161 TOTAL    */
1118         /* Time for the bond calculations */
1119         if (dr2 == 0.0)
1120         {
1121             continue;
1122         }
1123
1124         vtot  += vbond;            /* 1*/
1125         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
1126
1127         if (g)
1128         {
1129             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, ak), dt_ik);
1130             ki = IVEC2IS(dt_ik);
1131         }
1132         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
1133         {
1134             fik                 = fbond*r_ik[m];
1135             f[ai][m]           += fik;
1136             f[ak][m]           -= fik;
1137             fshift[ki][m]      += fik;
1138             fshift[CENTRAL][m] -= fik;
1139         }
1140     }
1141     return vtot;
1142 }
1143
1144 real quartic_angles(int nbonds,
1145                     const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1146                     const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1147                     const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1148                     real lambda, real *dvdlambda,
1149                     const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1150                     int *global_atom_index)
1151 {
1152     int  i, j, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1153     rvec r_ij, r_kj;
1154     real cos_theta, cos_theta2, theta, dt, dVdt, va, dtp, c, vtot;
1155     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1156
1157     vtot = 0.0;
1158     for (i = 0; (i < nbonds); )
1159     {
1160         type = forceatoms[i++];
1161         ai   = forceatoms[i++];
1162         aj   = forceatoms[i++];
1163         ak   = forceatoms[i++];
1164
1165         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1166                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
1167
1168         dt = theta - forceparams[type].qangle.theta*DEG2RAD;   /* 2          */
1169
1170         dVdt = 0;
1171         va   = forceparams[type].qangle.c[0];
1172         dtp  = 1.0;
1173         for (j = 1; j <= 4; j++)
1174         {
1175             c     = forceparams[type].qangle.c[j];
1176             dVdt -= j*c*dtp;
1177             dtp  *= dt;
1178             va   += c*dtp;
1179         }
1180         /* 20 */
1181
1182         vtot += va;
1183
1184         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
1185         if (cos_theta2 < 1)
1186         {
1187             int  m;
1188             real st, sth;
1189             real cik, cii, ckk;
1190             real nrkj2, nrij2;
1191             rvec f_i, f_j, f_k;
1192
1193             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1194             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1195 #ifdef DEBUG
1196             if (debug)
1197             {
1198                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1199                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1200             }
1201 #endif
1202             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1203             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1204
1205             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1206             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1207             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1208
1209             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1210             {
1211                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1212                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1213                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1214                 f[ai][m] += f_i[m];
1215                 f[aj][m] += f_j[m];
1216                 f[ak][m] += f_k[m];
1217             }
1218             if (g)
1219             {
1220                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1221
1222                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1223                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1224                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1225                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1226             }
1227             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1228             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1229             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1230         }                                       /* 153 TOTAL    */
1231     }
1232     return vtot;
1233 }
1234
1235 real dih_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const rvec xl,
1236                const t_pbc *pbc,
1237                rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl, rvec m, rvec n,
1238                real *sign, int *t1, int *t2, int *t3)
1239 {
1240     real ipr, phi;
1241
1242     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3        */
1243     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
1244     *t3 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xl, r_kl); /*  3                */
1245
1246     cprod(r_ij, r_kj, m);                  /*  9        */
1247     cprod(r_kj, r_kl, n);                  /*  9                */
1248     phi     = gmx_angle(m, n);             /* 49 (assuming 25 for atan2) */
1249     ipr     = iprod(r_ij, n);              /*  5        */
1250     (*sign) = (ipr < 0.0) ? -1.0 : 1.0;
1251     phi     = (*sign)*phi;                 /*  1                */
1252     /* 82 TOTAL */
1253     return phi;
1254 }
1255
1256
1257 #ifdef SSE_PROPER_DIHEDRALS
1258
1259 /* x86 SIMD inner-product of 4 float vectors */
1260 #define GMX_MM_IPROD_PS(ax, ay, az, bx, by, bz)                 \
1261     _mm_add_ps(_mm_add_ps(_mm_mul_ps(ax, bx), _mm_mul_ps(ay, by)), _mm_mul_ps(az, bz))
1262
1263 /* x86 SIMD norm^2 of 4 float vectors */
1264 #define GMX_MM_NORM2_PS(ax, ay, az) GMX_MM_IPROD_PS(ax, ay, az, ax, ay, az)
1265
1266 /* x86 SIMD cross-product of 4 float vectors */
1267 #define GMX_MM_CPROD_PS(ax, ay, az, bx, by, bz, cx, cy, cz)        \
1268     {                                                          \
1269         cx = _mm_sub_ps(_mm_mul_ps(ay, bz), _mm_mul_ps(az, by));  \
1270         cy = _mm_sub_ps(_mm_mul_ps(az, bx), _mm_mul_ps(ax, bz));  \
1271         cz = _mm_sub_ps(_mm_mul_ps(ax, by), _mm_mul_ps(ay, bx));  \
1272     }
1273
1274 /* load 4 rvec's into 3 x86 SIMD float registers */
1275 #define load_rvec4(r0, r1, r2, r3, rx_SSE, ry_SSE, rz_SSE)          \
1276     {                                                             \
1277         __m128 tmp;                                               \
1278         rx_SSE = _mm_load_ps(r0);                                 \
1279         ry_SSE = _mm_load_ps(r1);                                 \
1280         rz_SSE = _mm_load_ps(r2);                                 \
1281         tmp    = _mm_load_ps(r3);                                 \
1282         _MM_TRANSPOSE4_PS(rx_SSE, ry_SSE, rz_SSE, tmp);              \
1283     }
1284
1285 #define store_rvec4(rx_SSE, ry_SSE, rz_SSE, r0, r1, r2, r3)         \
1286     {                                                             \
1287         __m128 tmp = _mm_setzero_ps();                              \
1288         _MM_TRANSPOSE4_PS(rx_SSE, ry_SSE, rz_SSE, tmp);              \
1289         _mm_store_ps(r0, rx_SSE);                                  \
1290         _mm_store_ps(r1, ry_SSE);                                  \
1291         _mm_store_ps(r2, rz_SSE);                                  \
1292         _mm_store_ps(r3, tmp   );                                  \
1293     }
1294
1295 /* An rvec in a structure which can be allocated 16-byte aligned */
1296 typedef struct {
1297     rvec  v;
1298     float f;
1299 } rvec_sse_t;
1300
1301 /* As dih_angle above, but calculates 4 dihedral angles at once using SSE,
1302  * also calculates the pre-factor required for the dihedral force update.
1303  * Note that bv and buf should be 16-byte aligned.
1304  */
1305 static void
1306 dih_angle_sse(const rvec *x,
1307               int ai[4], int aj[4], int ak[4], int al[4],
1308               const t_pbc *pbc,
1309               int t1[4], int t2[4], int t3[4],
1310               rvec_sse_t *bv,
1311               real *buf)
1312 {
1313     int    s;
1314     __m128 rijx_SSE, rijy_SSE, rijz_SSE;
1315     __m128 rkjx_SSE, rkjy_SSE, rkjz_SSE;
1316     __m128 rklx_SSE, rkly_SSE, rklz_SSE;
1317     __m128 mx_SSE, my_SSE, mz_SSE;
1318     __m128 nx_SSE, ny_SSE, nz_SSE;
1319     __m128 cx_SSE, cy_SSE, cz_SSE;
1320     __m128 cn_SSE;
1321     __m128 s_SSE;
1322     __m128 phi_SSE;
1323     __m128 ipr_SSE;
1324     int    signs;
1325     __m128 iprm_SSE, iprn_SSE;
1326     __m128 nrkj2_SSE, nrkj_1_SSE, nrkj_2_SSE, nrkj_SSE;
1327     __m128 nrkj_m2_SSE, nrkj_n2_SSE;
1328     __m128 p_SSE, q_SSE;
1329     __m128 fmin_SSE = _mm_set1_ps(GMX_FLOAT_MIN);
1330
1331     for (s = 0; s < 4; s++)
1332     {
1333         t1[s] = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai[s]], x[aj[s]], bv[0+s].v);
1334         t2[s] = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak[s]], x[aj[s]], bv[4+s].v);
1335         t3[s] = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak[s]], x[al[s]], bv[8+s].v);
1336     }
1337
1338     load_rvec4(bv[0].v, bv[1].v, bv[2].v, bv[3].v, rijx_SSE, rijy_SSE, rijz_SSE);
1339     load_rvec4(bv[4].v, bv[5].v, bv[6].v, bv[7].v, rkjx_SSE, rkjy_SSE, rkjz_SSE);
1340     load_rvec4(bv[8].v, bv[9].v, bv[10].v, bv[11].v, rklx_SSE, rkly_SSE, rklz_SSE);
1341
1342     GMX_MM_CPROD_PS(rijx_SSE, rijy_SSE, rijz_SSE,
1343                     rkjx_SSE, rkjy_SSE, rkjz_SSE,
1344                     mx_SSE, my_SSE, mz_SSE);
1345
1346     GMX_MM_CPROD_PS(rkjx_SSE, rkjy_SSE, rkjz_SSE,
1347                     rklx_SSE, rkly_SSE, rklz_SSE,
1348                     nx_SSE, ny_SSE, nz_SSE);
1349
1350     GMX_MM_CPROD_PS(mx_SSE, my_SSE, mz_SSE,
1351                     nx_SSE, ny_SSE, nz_SSE,
1352                     cx_SSE, cy_SSE, cz_SSE);
1353
1354     cn_SSE = gmx_mm_sqrt_ps(GMX_MM_NORM2_PS(cx_SSE, cy_SSE, cz_SSE));
1355
1356     s_SSE = GMX_MM_IPROD_PS(mx_SSE, my_SSE, mz_SSE, nx_SSE, ny_SSE, nz_SSE);
1357
1358     phi_SSE = gmx_mm_atan2_ps(cn_SSE, s_SSE);
1359     _mm_store_ps(buf+16, phi_SSE);
1360
1361     ipr_SSE = GMX_MM_IPROD_PS(rijx_SSE, rijy_SSE, rijz_SSE,
1362                               nx_SSE, ny_SSE, nz_SSE);
1363
1364     signs = _mm_movemask_ps(ipr_SSE);
1365
1366     for (s = 0; s < 4; s++)
1367     {
1368         if (signs & (1<<s))
1369         {
1370             buf[16+s] = -buf[16+s];
1371         }
1372     }
1373
1374     iprm_SSE    = GMX_MM_NORM2_PS(mx_SSE, my_SSE, mz_SSE);
1375     iprn_SSE    = GMX_MM_NORM2_PS(nx_SSE, ny_SSE, nz_SSE);
1376
1377     /* store_rvec4 messes with the input, don't use it after this! */
1378     store_rvec4(mx_SSE, my_SSE, mz_SSE, bv[0].v, bv[1].v, bv[2].v, bv[3].v);
1379     store_rvec4(nx_SSE, ny_SSE, nz_SSE, bv[4].v, bv[5].v, bv[6].v, bv[7].v);
1380
1381     nrkj2_SSE   = GMX_MM_NORM2_PS(rkjx_SSE, rkjy_SSE, rkjz_SSE);
1382
1383     /* Avoid division by zero. When zero, the result is multiplied by 0
1384      * anyhow, so the 3 max below do not affect the final result.
1385      */
1386     nrkj2_SSE   = _mm_max_ps(nrkj2_SSE, fmin_SSE);
1387     nrkj_1_SSE  = gmx_mm_invsqrt_ps(nrkj2_SSE);
1388     nrkj_2_SSE  = _mm_mul_ps(nrkj_1_SSE, nrkj_1_SSE);
1389     nrkj_SSE    = _mm_mul_ps(nrkj2_SSE, nrkj_1_SSE);
1390
1391     iprm_SSE    = _mm_max_ps(iprm_SSE, fmin_SSE);
1392     iprn_SSE    = _mm_max_ps(iprn_SSE, fmin_SSE);
1393     nrkj_m2_SSE = _mm_mul_ps(nrkj_SSE, gmx_mm_inv_ps(iprm_SSE));
1394     nrkj_n2_SSE = _mm_mul_ps(nrkj_SSE, gmx_mm_inv_ps(iprn_SSE));
1395
1396     _mm_store_ps(buf+0, nrkj_m2_SSE);
1397     _mm_store_ps(buf+4, nrkj_n2_SSE);
1398
1399     p_SSE       = GMX_MM_IPROD_PS(rijx_SSE, rijy_SSE, rijz_SSE,
1400                                   rkjx_SSE, rkjy_SSE, rkjz_SSE);
1401     p_SSE       = _mm_mul_ps(p_SSE, nrkj_2_SSE);
1402
1403     q_SSE       = GMX_MM_IPROD_PS(rklx_SSE, rkly_SSE, rklz_SSE,
1404                                   rkjx_SSE, rkjy_SSE, rkjz_SSE);
1405     q_SSE       = _mm_mul_ps(q_SSE, nrkj_2_SSE);
1406
1407     _mm_store_ps(buf+8, p_SSE);
1408     _mm_store_ps(buf+12, q_SSE);
1409 }
1410
1411 #endif /* SSE_PROPER_DIHEDRALS */
1412
1413
1414 void do_dih_fup(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1415                 rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1416                 rvec m, rvec n, rvec f[], rvec fshift[],
1417                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1418                 const rvec x[], int t1, int t2, int t3)
1419 {
1420     /* 143 FLOPS */
1421     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1422     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1423     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1424     real a, b, p, q, toler;
1425     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1426
1427     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1428     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1429     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1430     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1431     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1432     {
1433         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1434         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1435         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1436         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1437         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1438         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1439         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1440         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1441         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1442         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1443         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1444         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1445         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1446         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1447         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1448         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1449         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1450         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1451         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1452         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1453
1454         if (g)
1455         {
1456             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, j), jt);
1457             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, i), jt, dt_ij);
1458             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, k), jt, dt_kj);
1459             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, l), jt, dt_lj);
1460             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1461             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1462             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
1463         }
1464         else if (pbc)
1465         {
1466             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[l], x[j], dx_jl);
1467         }
1468         else
1469         {
1470             t3 = CENTRAL;
1471         }
1472
1473         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1474         rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_j);
1475         rvec_dec(fshift[t2], f_k);
1476         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
1477     }
1478     /* 112 TOTAL    */
1479 }
1480
1481 /* As do_dih_fup above, but without shift forces */
1482 static void
1483 do_dih_fup_noshiftf(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1484                     rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1485                     rvec m, rvec n, rvec f[])
1486 {
1487     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1488     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1489     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1490     real a, b, p, q, toler;
1491     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1492
1493     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1494     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1495     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1496     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1497     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1498     {
1499         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1500         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1501         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1502         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1503         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1504         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1505         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1506         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1507         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1508         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1509         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1510         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1511         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1512         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1513         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1514         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1515         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1516         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1517         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1518         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1519     }
1520 }
1521
1522 /* As do_dih_fup_noshiftf above, but with pre-calculated pre-factors */
1523 static void
1524 do_dih_fup_noshiftf_precalc(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1525                             real nrkj_m2, real nrkj_n2,
1526                             real p, real q,
1527                             rvec m, rvec n, rvec f[])
1528 {
1529     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1530     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1531     real a, b, toler;
1532     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1533
1534     a = -ddphi*nrkj_m2;
1535     svmul(a, m, f_i);
1536     b =  ddphi*nrkj_n2;
1537     svmul(b, n, f_l);
1538     svmul(p, f_i, uvec);
1539     svmul(q, f_l, vvec);
1540     rvec_sub(uvec, vvec, svec);
1541     rvec_sub(f_i, svec, f_j);
1542     rvec_add(f_l, svec, f_k);
1543     rvec_inc(f[i], f_i);
1544     rvec_dec(f[j], f_j);
1545     rvec_dec(f[k], f_k);
1546     rvec_inc(f[l], f_l);
1547 }
1548
1549
1550 real dopdihs(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1551              real phi, real lambda, real *V, real *F)
1552 {
1553     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1554     real L1   = 1.0 - lambda;
1555     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1556     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1557     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1558
1559     mdphi =  mult*phi - ph0;
1560     sdphi = sin(mdphi);
1561     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1562     v1    = 1.0 + cos(mdphi);
1563     v     = cp*v1;
1564
1565     dvdlambda  = (cpB - cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1566
1567     *V = v;
1568     *F = ddphi;
1569
1570     return dvdlambda;
1571
1572     /* That was 40 flops */
1573 }
1574
1575 static void
1576 dopdihs_noener(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1577                real phi, real lambda, real *F)
1578 {
1579     real mdphi, sdphi, ddphi;
1580     real L1   = 1.0 - lambda;
1581     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1582     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1583
1584     mdphi = mult*phi - ph0;
1585     sdphi = sin(mdphi);
1586     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1587
1588     *F = ddphi;
1589
1590     /* That was 20 flops */
1591 }
1592
1593 static void
1594 dopdihs_mdphi(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1595               real phi, real lambda, real *cp, real *mdphi)
1596 {
1597     real L1   = 1.0 - lambda;
1598     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1599
1600     *cp    = L1*cpA + lambda*cpB;
1601
1602     *mdphi = mult*phi - ph0;
1603 }
1604
1605 static real dopdihs_min(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1606                         real phi, real lambda, real *V, real *F)
1607 /* similar to dopdihs, except for a minus sign  *
1608  * and a different treatment of mult/phi0       */
1609 {
1610     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1611     real L1   = 1.0 - lambda;
1612     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1613     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1614     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1615
1616     mdphi = mult*(phi-ph0);
1617     sdphi = sin(mdphi);
1618     ddphi = cp*mult*sdphi;
1619     v1    = 1.0-cos(mdphi);
1620     v     = cp*v1;
1621
1622     dvdlambda  = (cpB-cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1623
1624     *V = v;
1625     *F = ddphi;
1626
1627     return dvdlambda;
1628
1629     /* That was 40 flops */
1630 }
1631
1632 real pdihs(int nbonds,
1633            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1634            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1635            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1636            real lambda, real *dvdlambda,
1637            const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1638            int *global_atom_index)
1639 {
1640     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1641     int  t1, t2, t3;
1642     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1643     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
1644
1645     vtot = 0.0;
1646
1647     for (i = 0; (i < nbonds); )
1648     {
1649         type = forceatoms[i++];
1650         ai   = forceatoms[i++];
1651         aj   = forceatoms[i++];
1652         ak   = forceatoms[i++];
1653         al   = forceatoms[i++];
1654
1655         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1656                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84      */
1657         *dvdlambda += dopdihs(forceparams[type].pdihs.cpA,
1658                               forceparams[type].pdihs.cpB,
1659                               forceparams[type].pdihs.phiA,
1660                               forceparams[type].pdihs.phiB,
1661                               forceparams[type].pdihs.mult,
1662                               phi, lambda, &vpd, &ddphi);
1663
1664         vtot += vpd;
1665         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1666                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
1667
1668 #ifdef DEBUG
1669         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
1670                 ai, aj, ak, al, phi);
1671 #endif
1672     } /* 223 TOTAL  */
1673
1674     return vtot;
1675 }
1676
1677 void make_dp_periodic(real *dp)  /* 1 flop? */
1678 {
1679     /* dp cannot be outside (-pi,pi) */
1680     if (*dp >= M_PI)
1681     {
1682         *dp -= 2*M_PI;
1683     }
1684     else if (*dp < -M_PI)
1685     {
1686         *dp += 2*M_PI;
1687     }
1688     return;
1689 }
1690
1691 /* As pdihs above, but without calculating energies and shift forces */
1692 static void
1693 pdihs_noener(int nbonds,
1694              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1695              const rvec x[], rvec f[],
1696              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1697              real lambda,
1698              const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1699              int *global_atom_index)
1700 {
1701     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1702     int  t1, t2, t3;
1703     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1704     real phi, sign, ddphi_tot, ddphi;
1705
1706     for (i = 0; (i < nbonds); )
1707     {
1708         ai   = forceatoms[i+1];
1709         aj   = forceatoms[i+2];
1710         ak   = forceatoms[i+3];
1711         al   = forceatoms[i+4];
1712
1713         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1714                         &sign, &t1, &t2, &t3);
1715
1716         ddphi_tot = 0;
1717
1718         /* Loop over dihedrals working on the same atoms,
1719          * so we avoid recalculating angles and force distributions.
1720          */
1721         do
1722         {
1723             type = forceatoms[i];
1724             dopdihs_noener(forceparams[type].pdihs.cpA,
1725                            forceparams[type].pdihs.cpB,
1726                            forceparams[type].pdihs.phiA,
1727                            forceparams[type].pdihs.phiB,
1728                            forceparams[type].pdihs.mult,
1729                            phi, lambda, &ddphi);
1730             ddphi_tot += ddphi;
1731
1732             i += 5;
1733         }
1734         while (i < nbonds &&
1735                forceatoms[i+1] == ai &&
1736                forceatoms[i+2] == aj &&
1737                forceatoms[i+3] == ak &&
1738                forceatoms[i+4] == al);
1739
1740         do_dih_fup_noshiftf(ai, aj, ak, al, ddphi_tot, r_ij, r_kj, r_kl, m, n, f);
1741     }
1742 }
1743
1744
1745 #ifdef SSE_PROPER_DIHEDRALS
1746
1747 /* As pdihs_noner above, but using SSE to calculate 4 dihedrals at once */
1748 static void
1749 pdihs_noener_sse(int nbonds,
1750                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1751                  const rvec x[], rvec f[],
1752                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1753                  real lambda,
1754                  const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1755                  int *global_atom_index)
1756 {
1757     int        i, i4, s;
1758     int        type, ai[4], aj[4], ak[4], al[4];
1759     int        t1[4], t2[4], t3[4];
1760     int        mult[4];
1761     real       cp[4], mdphi[4];
1762     real       ddphi;
1763     rvec_sse_t rs_array[13], *rs;
1764     real       buf_array[24], *buf;
1765     __m128     mdphi_SSE, sin_SSE, cos_SSE;
1766
1767     /* Ensure 16-byte alignment */
1768     rs  = (rvec_sse_t *)(((size_t)(rs_array +1)) & (~((size_t)15)));
1769     buf =      (float *)(((size_t)(buf_array+3)) & (~((size_t)15)));
1770
1771     for (i = 0; (i < nbonds); i += 20)
1772     {
1773         /* Collect atoms quadruplets for 4 dihedrals */
1774         i4 = i;
1775         for (s = 0; s < 4; s++)
1776         {
1777             ai[s] = forceatoms[i4+1];
1778             aj[s] = forceatoms[i4+2];
1779             ak[s] = forceatoms[i4+3];
1780             al[s] = forceatoms[i4+4];
1781             /* At the end fill the arrays with identical entries */
1782             if (i4 + 5 < nbonds)
1783             {
1784                 i4 += 5;
1785             }
1786         }
1787
1788         /* Caclulate 4 dihedral angles at once */
1789         dih_angle_sse(x, ai, aj, ak, al, pbc, t1, t2, t3, rs, buf);
1790
1791         i4 = i;
1792         for (s = 0; s < 4; s++)
1793         {
1794             if (i4 < nbonds)
1795             {
1796                 /* Calculate the coefficient and angle deviation */
1797                 type = forceatoms[i4];
1798                 dopdihs_mdphi(forceparams[type].pdihs.cpA,
1799                               forceparams[type].pdihs.cpB,
1800                               forceparams[type].pdihs.phiA,
1801                               forceparams[type].pdihs.phiB,
1802                               forceparams[type].pdihs.mult,
1803                               buf[16+s], lambda, &cp[s], &buf[16+s]);
1804                 mult[s] = forceparams[type].pdihs.mult;
1805             }
1806             else
1807             {
1808                 buf[16+s] = 0;
1809             }
1810             i4 += 5;
1811         }
1812
1813         /* Calculate 4 sines at once */
1814         mdphi_SSE = _mm_load_ps(buf+16);
1815         gmx_mm_sincos_ps(mdphi_SSE, &sin_SSE, &cos_SSE);
1816         _mm_store_ps(buf+16, sin_SSE);
1817
1818         i4 = i;
1819         s  = 0;
1820         do
1821         {
1822             ddphi = -cp[s]*mult[s]*buf[16+s];
1823
1824             do_dih_fup_noshiftf_precalc(ai[s], aj[s], ak[s], al[s], ddphi,
1825                                         buf[ 0+s], buf[ 4+s],
1826                                         buf[ 8+s], buf[12+s],
1827                                         rs[0+s].v, rs[4+s].v,
1828                                         f);
1829             s++;
1830             i4 += 5;
1831         }
1832         while (s < 4 && i4 < nbonds);
1833     }
1834 }
1835
1836 #endif /* SSE_PROPER_DIHEDRALS */
1837
1838
1839 real idihs(int nbonds,
1840            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1841            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1842            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1843            real lambda, real *dvdlambda,
1844            const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1845            int *global_atom_index)
1846 {
1847     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1848     int  t1, t2, t3;
1849     real phi, phi0, dphi0, ddphi, sign, vtot;
1850     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1851     real L1, kk, dp, dp2, kA, kB, pA, pB, dvdl_term;
1852
1853     L1        = 1.0-lambda;
1854     dvdl_term = 0;
1855     vtot      = 0.0;
1856     for (i = 0; (i < nbonds); )
1857     {
1858         type = forceatoms[i++];
1859         ai   = forceatoms[i++];
1860         aj   = forceatoms[i++];
1861         ak   = forceatoms[i++];
1862         al   = forceatoms[i++];
1863
1864         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1865                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
1866
1867         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
1868          * force changes if we just apply a normal harmonic.
1869          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
1870          * This means we will never have the periodicity problem, unless
1871          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
1872          * the potential.
1873          */
1874         kA = forceparams[type].harmonic.krA;
1875         kB = forceparams[type].harmonic.krB;
1876         pA = forceparams[type].harmonic.rA;
1877         pB = forceparams[type].harmonic.rB;
1878
1879         kk    = L1*kA + lambda*kB;
1880         phi0  = (L1*pA + lambda*pB)*DEG2RAD;
1881         dphi0 = (pB - pA)*DEG2RAD;
1882
1883         dp = phi-phi0;
1884
1885         make_dp_periodic(&dp);
1886
1887         dp2 = dp*dp;
1888
1889         vtot += 0.5*kk*dp2;
1890         ddphi = -kk*dp;
1891
1892         dvdl_term += 0.5*(kB - kA)*dp2 - kk*dphi0*dp;
1893
1894         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, (real)(-ddphi), r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1895                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
1896         /* 218 TOTAL    */
1897 #ifdef DEBUG
1898         if (debug)
1899         {
1900             fprintf(debug, "idih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
1901                     ai, aj, ak, al, phi);
1902         }
1903 #endif
1904     }
1905
1906     *dvdlambda += dvdl_term;
1907     return vtot;
1908 }
1909
1910
1911 /*! \brief returns dx, rdist, and dpdl for functions posres() and fbposres()
1912  */
1913 static void posres_dx(const rvec x, const rvec pos0A, const rvec pos0B,
1914                       const rvec comA_sc, const rvec comB_sc,
1915                       real lambda,
1916                       t_pbc *pbc, int refcoord_scaling, int npbcdim,
1917                       rvec dx, rvec rdist, rvec dpdl)
1918 {
1919     int  m, d;
1920     real posA, posB, L1, ref = 0.;
1921     rvec pos;
1922
1923     L1 = 1.0-lambda;
1924
1925     for (m = 0; m < DIM; m++)
1926     {
1927         posA = pos0A[m];
1928         posB = pos0B[m];
1929         if (m < npbcdim)
1930         {
1931             switch (refcoord_scaling)
1932             {
1933                 case erscNO:
1934                     ref      = 0;
1935                     rdist[m] = L1*posA + lambda*posB;
1936                     dpdl[m]  = posB - posA;
1937                     break;
1938                 case erscALL:
1939                     /* Box relative coordinates are stored for dimensions with pbc */
1940                     posA *= pbc->box[m][m];
1941                     posB *= pbc->box[m][m];
1942                     for (d = m+1; d < npbcdim; d++)
1943                     {
1944                         posA += pos0A[d]*pbc->box[d][m];
1945                         posB += pos0B[d]*pbc->box[d][m];
1946                     }
1947                     ref      = L1*posA + lambda*posB;
1948                     rdist[m] = 0;
1949                     dpdl[m]  = posB - posA;
1950                     break;
1951                 case erscCOM:
1952                     ref      = L1*comA_sc[m] + lambda*comB_sc[m];
1953                     rdist[m] = L1*posA       + lambda*posB;
1954                     dpdl[m]  = comB_sc[m] - comA_sc[m] + posB - posA;
1955                     break;
1956                 default:
1957                     gmx_fatal(FARGS, "No such scaling method implemented");
1958             }
1959         }
1960         else
1961         {
1962             ref      = L1*posA + lambda*posB;
1963             rdist[m] = 0;
1964             dpdl[m]  = posB - posA;
1965         }
1966
1967         /* We do pbc_dx with ref+rdist,
1968          * since with only ref we can be up to half a box vector wrong.
1969          */
1970         pos[m] = ref + rdist[m];
1971     }
1972
1973     if (pbc)
1974     {
1975         pbc_dx(pbc, x, pos, dx);
1976     }
1977     else
1978     {
1979         rvec_sub(x, pos, dx);
1980     }
1981 }
1982
1983 /*! \brief Adds forces of flat-bottomed positions restraints to f[]
1984  *         and fixes vir_diag. Returns the flat-bottomed potential. */
1985 real fbposres(int nbonds,
1986               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1987               const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
1988               t_pbc *pbc,
1989               int refcoord_scaling, int ePBC, rvec com)
1990 /* compute flat-bottomed positions restraints */
1991 {
1992     int              i, ai, m, d, type, npbcdim = 0, fbdim;
1993     const t_iparams *pr;
1994     real             vtot, kk, v;
1995     real             ref = 0, dr, dr2, rpot, rfb, rfb2, fact, invdr;
1996     rvec             com_sc, rdist, pos, dx, dpdl, fm;
1997     gmx_bool         bInvert;
1998
1999     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2000
2001     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2002     {
2003         clear_rvec(com_sc);
2004         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2005         {
2006             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2007             {
2008                 com_sc[m] += com[d]*pbc->box[d][m];
2009             }
2010         }
2011     }
2012
2013     vtot = 0.0;
2014     for (i = 0; (i < nbonds); )
2015     {
2016         type = forceatoms[i++];
2017         ai   = forceatoms[i++];
2018         pr   = &forceparams[type];
2019
2020         /* same calculation as for normal posres, but with identical A and B states, and lambda==0 */
2021         posres_dx(x[ai], forceparams[type].fbposres.pos0, forceparams[type].fbposres.pos0,
2022                   com_sc, com_sc, 0.0,
2023                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2024                   dx, rdist, dpdl);
2025
2026         clear_rvec(fm);
2027         v = 0.0;
2028
2029         kk   = pr->fbposres.k;
2030         rfb  = pr->fbposres.r;
2031         rfb2 = sqr(rfb);
2032
2033         /* with rfb<0, push particle out of the sphere/cylinder/layer */
2034         bInvert = FALSE;
2035         if (rfb < 0.)
2036         {
2037             bInvert = TRUE;
2038             rfb     = -rfb;
2039         }
2040
2041         switch (pr->fbposres.geom)
2042         {
2043             case efbposresSPHERE:
2044                 /* spherical flat-bottom posres */
2045                 dr2 = norm2(dx);
2046                 if (dr2 > 0.0 &&
2047                     ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2048                     )
2049                 {
2050                     dr   = sqrt(dr2);
2051                     v    = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2052                     fact = -kk*(dr-rfb)/dr; /* Force pointing to the center pos0 */
2053                     svmul(fact, dx, fm);
2054                 }
2055                 break;
2056             case efbposresCYLINDER:
2057                 /* cylidrical flat-bottom posres in x-y plane. fm[ZZ] = 0. */
2058                 dr2 = sqr(dx[XX])+sqr(dx[YY]);
2059                 if  (dr2 > 0.0 &&
2060                      ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2061                      )
2062                 {
2063                     dr     = sqrt(dr2);
2064                     invdr  = 1./dr;
2065                     v      = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2066                     fm[XX] = -kk*(dr-rfb)*dx[XX]*invdr; /* Force pointing to the center */
2067                     fm[YY] = -kk*(dr-rfb)*dx[YY]*invdr;
2068                 }
2069                 break;
2070             case efbposresX: /* fbdim=XX */
2071             case efbposresY: /* fbdim=YY */
2072             case efbposresZ: /* fbdim=ZZ */
2073                 /* 1D flat-bottom potential */
2074                 fbdim = pr->fbposres.geom - efbposresX;
2075                 dr    = dx[fbdim];
2076                 if ( ( dr > rfb && bInvert == FALSE ) || ( 0 < dr && dr < rfb && bInvert == TRUE )  )
2077                 {
2078                     v         = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2079                     fm[fbdim] = -kk*(dr - rfb);
2080                 }
2081                 else if ( (dr < (-rfb) && bInvert == FALSE ) || ( (-rfb) < dr && dr < 0 && bInvert == TRUE ))
2082                 {
2083                     v         = 0.5*kk*sqr(dr + rfb);
2084                     fm[fbdim] = -kk*(dr + rfb);
2085                 }
2086                 break;
2087         }
2088
2089         vtot += v;
2090
2091         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2092         {
2093             f[ai][m]   += fm[m];
2094             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2095             vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm[m];
2096         }
2097     }
2098
2099     return vtot;
2100 }
2101
2102
2103 real posres(int nbonds,
2104             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2105             const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2106             t_pbc *pbc,
2107             real lambda, real *dvdlambda,
2108             int refcoord_scaling, int ePBC, rvec comA, rvec comB)
2109 {
2110     int              i, ai, m, d, type, ki, npbcdim = 0;
2111     const t_iparams *pr;
2112     real             L1;
2113     real             vtot, kk, fm;
2114     real             posA, posB, ref = 0;
2115     rvec             comA_sc, comB_sc, rdist, dpdl, pos, dx;
2116     gmx_bool         bForceValid = TRUE;
2117
2118     if ((f == NULL) || (vir_diag == NULL))    /* should both be null together! */
2119     {
2120         bForceValid = FALSE;
2121     }
2122
2123     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2124
2125     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2126     {
2127         clear_rvec(comA_sc);
2128         clear_rvec(comB_sc);
2129         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2130         {
2131             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2132             {
2133                 comA_sc[m] += comA[d]*pbc->box[d][m];
2134                 comB_sc[m] += comB[d]*pbc->box[d][m];
2135             }
2136         }
2137     }
2138
2139     L1 = 1.0 - lambda;
2140
2141     vtot = 0.0;
2142     for (i = 0; (i < nbonds); )
2143     {
2144         type = forceatoms[i++];
2145         ai   = forceatoms[i++];
2146         pr   = &forceparams[type];
2147
2148         /* return dx, rdist, and dpdl */
2149         posres_dx(x[ai], forceparams[type].posres.pos0A, forceparams[type].posres.pos0B,
2150                   comA_sc, comB_sc, lambda,
2151                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2152                   dx, rdist, dpdl);
2153
2154         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2155         {
2156             kk          = L1*pr->posres.fcA[m] + lambda*pr->posres.fcB[m];
2157             fm          = -kk*dx[m];
2158             vtot       += 0.5*kk*dx[m]*dx[m];
2159             *dvdlambda +=
2160                 0.5*(pr->posres.fcB[m] - pr->posres.fcA[m])*dx[m]*dx[m]
2161                 -fm*dpdl[m];
2162
2163             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2164             if (bForceValid)
2165             {
2166                 f[ai][m]    += fm;
2167                 vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm;
2168             }
2169         }
2170     }
2171
2172     return vtot;
2173 }
2174
2175 static real low_angres(int nbonds,
2176                        const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2177                        const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2178                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2179                        real lambda, real *dvdlambda,
2180                        gmx_bool bZAxis)
2181 {
2182     int  i, m, type, ai, aj, ak, al;
2183     int  t1, t2;
2184     real phi, cos_phi, cos_phi2, vid, vtot, dVdphi;
2185     rvec r_ij, r_kl, f_i, f_k = {0, 0, 0};
2186     real st, sth, nrij2, nrkl2, c, cij, ckl;
2187
2188     ivec dt;
2189     t2 = 0; /* avoid warning with gcc-3.3. It is never used uninitialized */
2190
2191     vtot = 0.0;
2192     ak   = al = 0; /* to avoid warnings */
2193     for (i = 0; i < nbonds; )
2194     {
2195         type = forceatoms[i++];
2196         ai   = forceatoms[i++];
2197         aj   = forceatoms[i++];
2198         t1   = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], r_ij);       /*  3               */
2199         if (!bZAxis)
2200         {
2201             ak   = forceatoms[i++];
2202             al   = forceatoms[i++];
2203             t2   = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], r_kl);  /*  3                */
2204         }
2205         else
2206         {
2207             r_kl[XX] = 0;
2208             r_kl[YY] = 0;
2209             r_kl[ZZ] = 1;
2210         }
2211
2212         cos_phi = cos_angle(r_ij, r_kl); /* 25          */
2213         phi     = acos(cos_phi);         /* 10           */
2214
2215         *dvdlambda += dopdihs_min(forceparams[type].pdihs.cpA,
2216                                   forceparams[type].pdihs.cpB,
2217                                   forceparams[type].pdihs.phiA,
2218                                   forceparams[type].pdihs.phiB,
2219                                   forceparams[type].pdihs.mult,
2220                                   phi, lambda, &vid, &dVdphi); /*  40  */
2221
2222         vtot += vid;
2223
2224         cos_phi2 = sqr(cos_phi);                /*   1          */
2225         if (cos_phi2 < 1)
2226         {
2227             st    = -dVdphi*gmx_invsqrt(1 - cos_phi2); /*  12           */
2228             sth   = st*cos_phi;                        /*   1           */
2229             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);                 /*   5           */
2230             nrkl2 = iprod(r_kl, r_kl);                 /*   5          */
2231
2232             c   = st*gmx_invsqrt(nrij2*nrkl2);         /*  11           */
2233             cij = sth/nrij2;                           /*  10           */
2234             ckl = sth/nrkl2;                           /*  10           */
2235
2236             for (m = 0; m < DIM; m++)                  /*  18+18       */
2237             {
2238                 f_i[m]    = (c*r_kl[m]-cij*r_ij[m]);
2239                 f[ai][m] += f_i[m];
2240                 f[aj][m] -= f_i[m];
2241                 if (!bZAxis)
2242                 {
2243                     f_k[m]    = (c*r_ij[m]-ckl*r_kl[m]);
2244                     f[ak][m] += f_k[m];
2245                     f[al][m] -= f_k[m];
2246                 }
2247             }
2248
2249             if (g)
2250             {
2251                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
2252                 t1 = IVEC2IS(dt);
2253             }
2254             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2255             rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_i);
2256             if (!bZAxis)
2257             {
2258                 if (g)
2259                 {
2260                     ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, al), dt);
2261                     t2 = IVEC2IS(dt);
2262                 }
2263                 rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2264                 rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_k);
2265             }
2266         }
2267     }
2268
2269     return vtot; /*  184 / 157 (bZAxis)  total  */
2270 }
2271
2272 real angres(int nbonds,
2273             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2274             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2275             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2276             real lambda, real *dvdlambda,
2277             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2278             int *global_atom_index)
2279 {
2280     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2281                       lambda, dvdlambda, FALSE);
2282 }
2283
2284 real angresz(int nbonds,
2285              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2286              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2287              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2288              real lambda, real *dvdlambda,
2289              const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2290              int *global_atom_index)
2291 {
2292     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2293                       lambda, dvdlambda, TRUE);
2294 }
2295
2296 real dihres(int nbonds,
2297             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2298             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2299             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2300             real lambda, real *dvdlambda,
2301             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2302             int *global_atom_index)
2303 {
2304     real vtot = 0;
2305     int  ai, aj, ak, al, i, k, type, t1, t2, t3;
2306     real phi0A, phi0B, dphiA, dphiB, kfacA, kfacB, phi0, dphi, kfac;
2307     real phi, ddphi, ddp, ddp2, dp, sign, d2r, fc, L1;
2308     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2309
2310     L1 = 1.0-lambda;
2311
2312     d2r = DEG2RAD;
2313     k   = 0;
2314
2315     for (i = 0; (i < nbonds); )
2316     {
2317         type = forceatoms[i++];
2318         ai   = forceatoms[i++];
2319         aj   = forceatoms[i++];
2320         ak   = forceatoms[i++];
2321         al   = forceatoms[i++];
2322
2323         phi0A  = forceparams[type].dihres.phiA*d2r;
2324         dphiA  = forceparams[type].dihres.dphiA*d2r;
2325         kfacA  = forceparams[type].dihres.kfacA;
2326
2327         phi0B  = forceparams[type].dihres.phiB*d2r;
2328         dphiB  = forceparams[type].dihres.dphiB*d2r;
2329         kfacB  = forceparams[type].dihres.kfacB;
2330
2331         phi0  = L1*phi0A + lambda*phi0B;
2332         dphi  = L1*dphiA + lambda*dphiB;
2333         kfac  = L1*kfacA + lambda*kfacB;
2334
2335         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2336                         &sign, &t1, &t2, &t3);
2337         /* 84 flops */
2338
2339         if (debug)
2340         {
2341             fprintf(debug, "dihres[%d]: %d %d %d %d : phi=%f, dphi=%f, kfac=%f\n",
2342                     k++, ai, aj, ak, al, phi0, dphi, kfac);
2343         }
2344         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2345          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2346          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2347          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2348          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2349          * the potential.
2350          */
2351         dp = phi-phi0;
2352         make_dp_periodic(&dp);
2353
2354         if (dp > dphi)
2355         {
2356             ddp = dp-dphi;
2357         }
2358         else if (dp < -dphi)
2359         {
2360             ddp = dp+dphi;
2361         }
2362         else
2363         {
2364             ddp = 0;
2365         }
2366
2367         if (ddp != 0.0)
2368         {
2369             ddp2  = ddp*ddp;
2370             vtot += 0.5*kfac*ddp2;
2371             ddphi = kfac*ddp;
2372
2373             *dvdlambda += 0.5*(kfacB - kfacA)*ddp2;
2374             /* lambda dependence from changing restraint distances */
2375             if (ddp > 0)
2376             {
2377                 *dvdlambda -= kfac*ddp*((dphiB - dphiA)+(phi0B - phi0A));
2378             }
2379             else if (ddp < 0)
2380             {
2381                 *dvdlambda += kfac*ddp*((dphiB - dphiA)-(phi0B - phi0A));
2382             }
2383             do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2384                        f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3);      /* 112           */
2385         }
2386     }
2387     return vtot;
2388 }
2389
2390
2391 real unimplemented(int nbonds,
2392                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2393                    const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2394                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2395                    real lambda, real *dvdlambda,
2396                    const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2397                    int *global_atom_index)
2398 {
2399     gmx_impl("*** you are using a not implemented function");
2400
2401     return 0.0; /* To make the compiler happy */
2402 }
2403
2404 real rbdihs(int nbonds,
2405             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2406             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2407             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2408             real lambda, real *dvdlambda,
2409             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2410             int *global_atom_index)
2411 {
2412     const real c0 = 0.0, c1 = 1.0, c2 = 2.0, c3 = 3.0, c4 = 4.0, c5 = 5.0;
2413     int        type, ai, aj, ak, al, i, j;
2414     int        t1, t2, t3;
2415     rvec       r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2416     real       parmA[NR_RBDIHS];
2417     real       parmB[NR_RBDIHS];
2418     real       parm[NR_RBDIHS];
2419     real       cos_phi, phi, rbp, rbpBA;
2420     real       v, sign, ddphi, sin_phi;
2421     real       cosfac, vtot;
2422     real       L1        = 1.0-lambda;
2423     real       dvdl_term = 0;
2424
2425     vtot = 0.0;
2426     for (i = 0; (i < nbonds); )
2427     {
2428         type = forceatoms[i++];
2429         ai   = forceatoms[i++];
2430         aj   = forceatoms[i++];
2431         ak   = forceatoms[i++];
2432         al   = forceatoms[i++];
2433
2434         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2435                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2436
2437         /* Change to polymer convention */
2438         if (phi < c0)
2439         {
2440             phi += M_PI;
2441         }
2442         else
2443         {
2444             phi -= M_PI;    /*   1              */
2445
2446         }
2447         cos_phi = cos(phi);
2448         /* Beware of accuracy loss, cannot use 1-sqrt(cos^2) ! */
2449         sin_phi = sin(phi);
2450
2451         for (j = 0; (j < NR_RBDIHS); j++)
2452         {
2453             parmA[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcA[j];
2454             parmB[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcB[j];
2455             parm[j]  = L1*parmA[j]+lambda*parmB[j];
2456         }
2457         /* Calculate cosine powers */
2458         /* Calculate the energy */
2459         /* Calculate the derivative */
2460
2461         v            = parm[0];
2462         dvdl_term   += (parmB[0]-parmA[0]);
2463         ddphi        = c0;
2464         cosfac       = c1;
2465
2466         rbp          = parm[1];
2467         rbpBA        = parmB[1]-parmA[1];
2468         ddphi       += rbp*cosfac;
2469         cosfac      *= cos_phi;
2470         v           += cosfac*rbp;
2471         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2472         rbp          = parm[2];
2473         rbpBA        = parmB[2]-parmA[2];
2474         ddphi       += c2*rbp*cosfac;
2475         cosfac      *= cos_phi;
2476         v           += cosfac*rbp;
2477         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2478         rbp          = parm[3];
2479         rbpBA        = parmB[3]-parmA[3];
2480         ddphi       += c3*rbp*cosfac;
2481         cosfac      *= cos_phi;
2482         v           += cosfac*rbp;
2483         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2484         rbp          = parm[4];
2485         rbpBA        = parmB[4]-parmA[4];
2486         ddphi       += c4*rbp*cosfac;
2487         cosfac      *= cos_phi;
2488         v           += cosfac*rbp;
2489         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2490         rbp          = parm[5];
2491         rbpBA        = parmB[5]-parmA[5];
2492         ddphi       += c5*rbp*cosfac;
2493         cosfac      *= cos_phi;
2494         v           += cosfac*rbp;
2495         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2496
2497         ddphi = -ddphi*sin_phi;         /*  11          */
2498
2499         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2500                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2501         vtot += v;
2502     }
2503     *dvdlambda += dvdl_term;
2504
2505     return vtot;
2506 }
2507
2508 int cmap_setup_grid_index(int ip, int grid_spacing, int *ipm1, int *ipp1, int *ipp2)
2509 {
2510     int im1, ip1, ip2;
2511
2512     if (ip < 0)
2513     {
2514         ip = ip + grid_spacing - 1;
2515     }
2516     else if (ip > grid_spacing)
2517     {
2518         ip = ip - grid_spacing - 1;
2519     }
2520
2521     im1 = ip - 1;
2522     ip1 = ip + 1;
2523     ip2 = ip + 2;
2524
2525     if (ip == 0)
2526     {
2527         im1 = grid_spacing - 1;
2528     }
2529     else if (ip == grid_spacing-2)
2530     {
2531         ip2 = 0;
2532     }
2533     else if (ip == grid_spacing-1)
2534     {
2535         ip1 = 0;
2536         ip2 = 1;
2537     }
2538
2539     *ipm1 = im1;
2540     *ipp1 = ip1;
2541     *ipp2 = ip2;
2542
2543     return ip;
2544
2545 }
2546
2547 real cmap_dihs(int nbonds,
2548                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2549                const gmx_cmap_t *cmap_grid,
2550                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2551                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2552                real lambda, real *dvdlambda,
2553                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2554                int *global_atom_index)
2555 {
2556     int         i, j, k, n, idx;
2557     int         ai, aj, ak, al, am;
2558     int         a1i, a1j, a1k, a1l, a2i, a2j, a2k, a2l;
2559     int         type, cmapA;
2560     int         t11, t21, t31, t12, t22, t32;
2561     int         iphi1, ip1m1, ip1p1, ip1p2;
2562     int         iphi2, ip2m1, ip2p1, ip2p2;
2563     int         l1, l2, l3, l4;
2564     int         pos1, pos2, pos3, pos4, tmp;
2565
2566     real        ty[4], ty1[4], ty2[4], ty12[4], tc[16], tx[16];
2567     real        phi1, psi1, cos_phi1, sin_phi1, sign1, xphi1;
2568     real        phi2, psi2, cos_phi2, sin_phi2, sign2, xphi2;
2569     real        dx, xx, tt, tu, e, df1, df2, ddf1, ddf2, ddf12, vtot;
2570     real        ra21, rb21, rg21, rg1, rgr1, ra2r1, rb2r1, rabr1;
2571     real        ra22, rb22, rg22, rg2, rgr2, ra2r2, rb2r2, rabr2;
2572     real        fg1, hg1, fga1, hgb1, gaa1, gbb1;
2573     real        fg2, hg2, fga2, hgb2, gaa2, gbb2;
2574     real        fac;
2575
2576     rvec        r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1;
2577     rvec        r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2;
2578     rvec        f1_i, f1_j, f1_k, f1_l;
2579     rvec        f2_i, f2_j, f2_k, f2_l;
2580     rvec        a1, b1, a2, b2;
2581     rvec        f1, g1, h1, f2, g2, h2;
2582     rvec        dtf1, dtg1, dth1, dtf2, dtg2, dth2;
2583     ivec        jt1, dt1_ij, dt1_kj, dt1_lj;
2584     ivec        jt2, dt2_ij, dt2_kj, dt2_lj;
2585
2586     const real *cmapd;
2587
2588     int         loop_index[4][4] = {
2589         {0, 4, 8, 12},
2590         {1, 5, 9, 13},
2591         {2, 6, 10, 14},
2592         {3, 7, 11, 15}
2593     };
2594
2595     /* Total CMAP energy */
2596     vtot = 0;
2597
2598     for (n = 0; n < nbonds; )
2599     {
2600         /* Five atoms are involved in the two torsions */
2601         type   = forceatoms[n++];
2602         ai     = forceatoms[n++];
2603         aj     = forceatoms[n++];
2604         ak     = forceatoms[n++];
2605         al     = forceatoms[n++];
2606         am     = forceatoms[n++];
2607
2608         /* Which CMAP type is this */
2609         cmapA = forceparams[type].cmap.cmapA;
2610         cmapd = cmap_grid->cmapdata[cmapA].cmap;
2611
2612         /* First torsion */
2613         a1i   = ai;
2614         a1j   = aj;
2615         a1k   = ak;
2616         a1l   = al;
2617
2618         phi1  = dih_angle(x[a1i], x[a1j], x[a1k], x[a1l], pbc, r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1,
2619                           &sign1, &t11, &t21, &t31);  /* 84 */
2620
2621         cos_phi1 = cos(phi1);
2622
2623         a1[0] = r1_ij[1]*r1_kj[2]-r1_ij[2]*r1_kj[1];
2624         a1[1] = r1_ij[2]*r1_kj[0]-r1_ij[0]*r1_kj[2];
2625         a1[2] = r1_ij[0]*r1_kj[1]-r1_ij[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2626
2627         b1[0] = r1_kl[1]*r1_kj[2]-r1_kl[2]*r1_kj[1];
2628         b1[1] = r1_kl[2]*r1_kj[0]-r1_kl[0]*r1_kj[2];
2629         b1[2] = r1_kl[0]*r1_kj[1]-r1_kl[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2630
2631         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1k], h1);
2632
2633         ra21  = iprod(a1, a1);       /* 5 */
2634         rb21  = iprod(b1, b1);       /* 5 */
2635         rg21  = iprod(r1_kj, r1_kj); /* 5 */
2636         rg1   = sqrt(rg21);
2637
2638         rgr1  = 1.0/rg1;
2639         ra2r1 = 1.0/ra21;
2640         rb2r1 = 1.0/rb21;
2641         rabr1 = sqrt(ra2r1*rb2r1);
2642
2643         sin_phi1 = rg1 * rabr1 * iprod(a1, h1) * (-1);
2644
2645         if (cos_phi1 < -0.5 || cos_phi1 > 0.5)
2646         {
2647             phi1 = asin(sin_phi1);
2648
2649             if (cos_phi1 < 0)
2650             {
2651                 if (phi1 > 0)
2652                 {
2653                     phi1 = M_PI - phi1;
2654                 }
2655                 else
2656                 {
2657                     phi1 = -M_PI - phi1;
2658                 }
2659             }
2660         }
2661         else
2662         {
2663             phi1 = acos(cos_phi1);
2664
2665             if (sin_phi1 < 0)
2666             {
2667                 phi1 = -phi1;
2668             }
2669         }
2670
2671         xphi1 = phi1 + M_PI; /* 1 */
2672
2673         /* Second torsion */
2674         a2i   = aj;
2675         a2j   = ak;
2676         a2k   = al;
2677         a2l   = am;
2678
2679         phi2  = dih_angle(x[a2i], x[a2j], x[a2k], x[a2l], pbc, r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2,
2680                           &sign2, &t12, &t22, &t32); /* 84 */
2681
2682         cos_phi2 = cos(phi2);
2683
2684         a2[0] = r2_ij[1]*r2_kj[2]-r2_ij[2]*r2_kj[1];
2685         a2[1] = r2_ij[2]*r2_kj[0]-r2_ij[0]*r2_kj[2];
2686         a2[2] = r2_ij[0]*r2_kj[1]-r2_ij[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2687
2688         b2[0] = r2_kl[1]*r2_kj[2]-r2_kl[2]*r2_kj[1];
2689         b2[1] = r2_kl[2]*r2_kj[0]-r2_kl[0]*r2_kj[2];
2690         b2[2] = r2_kl[0]*r2_kj[1]-r2_kl[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2691
2692         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2k], h2);
2693
2694         ra22  = iprod(a2, a2);         /* 5 */
2695         rb22  = iprod(b2, b2);         /* 5 */
2696         rg22  = iprod(r2_kj, r2_kj);   /* 5 */
2697         rg2   = sqrt(rg22);
2698
2699         rgr2  = 1.0/rg2;
2700         ra2r2 = 1.0/ra22;
2701         rb2r2 = 1.0/rb22;
2702         rabr2 = sqrt(ra2r2*rb2r2);
2703
2704         sin_phi2 = rg2 * rabr2 * iprod(a2, h2) * (-1);
2705
2706         if (cos_phi2 < -0.5 || cos_phi2 > 0.5)
2707         {
2708             phi2 = asin(sin_phi2);
2709
2710             if (cos_phi2 < 0)
2711             {
2712                 if (phi2 > 0)
2713                 {
2714                     phi2 = M_PI - phi2;
2715                 }
2716                 else
2717                 {
2718                     phi2 = -M_PI - phi2;
2719                 }
2720             }
2721         }
2722         else
2723         {
2724             phi2 = acos(cos_phi2);
2725
2726             if (sin_phi2 < 0)
2727             {
2728                 phi2 = -phi2;
2729             }
2730         }
2731
2732         xphi2 = phi2 + M_PI; /* 1 */
2733
2734         /* Range mangling */
2735         if (xphi1 < 0)
2736         {
2737             xphi1 = xphi1 + 2*M_PI;
2738         }
2739         else if (xphi1 >= 2*M_PI)
2740         {
2741             xphi1 = xphi1 - 2*M_PI;
2742         }
2743
2744         if (xphi2 < 0)
2745         {
2746             xphi2 = xphi2 + 2*M_PI;
2747         }
2748         else if (xphi2 >= 2*M_PI)
2749         {
2750             xphi2 = xphi2 - 2*M_PI;
2751         }
2752
2753         /* Number of grid points */
2754         dx = 2*M_PI / cmap_grid->grid_spacing;
2755
2756         /* Where on the grid are we */
2757         iphi1 = (int)(xphi1/dx);
2758         iphi2 = (int)(xphi2/dx);
2759
2760         iphi1 = cmap_setup_grid_index(iphi1, cmap_grid->grid_spacing, &ip1m1, &ip1p1, &ip1p2);
2761         iphi2 = cmap_setup_grid_index(iphi2, cmap_grid->grid_spacing, &ip2m1, &ip2p1, &ip2p2);
2762
2763         pos1    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
2764         pos2    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
2765         pos3    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
2766         pos4    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
2767
2768         ty[0]   = cmapd[pos1*4];
2769         ty[1]   = cmapd[pos2*4];
2770         ty[2]   = cmapd[pos3*4];
2771         ty[3]   = cmapd[pos4*4];
2772
2773         ty1[0]   = cmapd[pos1*4+1];
2774         ty1[1]   = cmapd[pos2*4+1];
2775         ty1[2]   = cmapd[pos3*4+1];
2776         ty1[3]   = cmapd[pos4*4+1];
2777
2778         ty2[0]   = cmapd[pos1*4+2];
2779         ty2[1]   = cmapd[pos2*4+2];
2780         ty2[2]   = cmapd[pos3*4+2];
2781         ty2[3]   = cmapd[pos4*4+2];
2782
2783         ty12[0]   = cmapd[pos1*4+3];
2784         ty12[1]   = cmapd[pos2*4+3];
2785         ty12[2]   = cmapd[pos3*4+3];
2786         ty12[3]   = cmapd[pos4*4+3];
2787
2788         /* Switch to degrees */
2789         dx    = 360.0 / cmap_grid->grid_spacing;
2790         xphi1 = xphi1 * RAD2DEG;
2791         xphi2 = xphi2 * RAD2DEG;
2792
2793         for (i = 0; i < 4; i++) /* 16 */
2794         {
2795             tx[i]    = ty[i];
2796             tx[i+4]  = ty1[i]*dx;
2797             tx[i+8]  = ty2[i]*dx;
2798             tx[i+12] = ty12[i]*dx*dx;
2799         }
2800
2801         idx = 0;
2802         for (i = 0; i < 4; i++) /* 1056 */
2803         {
2804             for (j = 0; j < 4; j++)
2805             {
2806                 xx = 0;
2807                 for (k = 0; k < 16; k++)
2808                 {
2809                     xx = xx + cmap_coeff_matrix[k*16+idx]*tx[k];
2810                 }
2811
2812                 idx++;
2813                 tc[i*4+j] = xx;
2814             }
2815         }
2816
2817         tt    = (xphi1-iphi1*dx)/dx;
2818         tu    = (xphi2-iphi2*dx)/dx;
2819
2820         e     = 0;
2821         df1   = 0;
2822         df2   = 0;
2823         ddf1  = 0;
2824         ddf2  = 0;
2825         ddf12 = 0;
2826
2827         for (i = 3; i >= 0; i--)
2828         {
2829             l1 = loop_index[i][3];
2830             l2 = loop_index[i][2];
2831             l3 = loop_index[i][1];
2832
2833             e     = tt * e    + ((tc[i*4+3]*tu+tc[i*4+2])*tu + tc[i*4+1])*tu+tc[i*4];
2834             df1   = tu * df1  + (3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2])*tt+tc[l3];
2835             df2   = tt * df2  + (3.0*tc[i*4+3]*tu+2.0*tc[i*4+2])*tu+tc[i*4+1];
2836             ddf1  = tu * ddf1 + 2.0*3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2];
2837             ddf2  = tt * ddf2 + 2.0*3.0*tc[4*i+3]*tu+2.0*tc[4*i+2];
2838         }
2839
2840         ddf12 = tc[5] + 2.0*tc[9]*tt + 3.0*tc[13]*tt*tt + 2.0*tu*(tc[6]+2.0*tc[10]*tt+3.0*tc[14]*tt*tt) +
2841             3.0*tu*tu*(tc[7]+2.0*tc[11]*tt+3.0*tc[15]*tt*tt);
2842
2843         fac     = RAD2DEG/dx;
2844         df1     = df1   * fac;
2845         df2     = df2   * fac;
2846         ddf1    = ddf1  * fac * fac;
2847         ddf2    = ddf2  * fac * fac;
2848         ddf12   = ddf12 * fac * fac;
2849
2850         /* CMAP energy */
2851         vtot += e;
2852
2853         /* Do forces - first torsion */
2854         fg1       = iprod(r1_ij, r1_kj);
2855         hg1       = iprod(r1_kl, r1_kj);
2856         fga1      = fg1*ra2r1*rgr1;
2857         hgb1      = hg1*rb2r1*rgr1;
2858         gaa1      = -ra2r1*rg1;
2859         gbb1      = rb2r1*rg1;
2860
2861         for (i = 0; i < DIM; i++)
2862         {
2863             dtf1[i]   = gaa1 * a1[i];
2864             dtg1[i]   = fga1 * a1[i] - hgb1 * b1[i];
2865             dth1[i]   = gbb1 * b1[i];
2866
2867             f1[i]     = df1  * dtf1[i];
2868             g1[i]     = df1  * dtg1[i];
2869             h1[i]     = df1  * dth1[i];
2870
2871             f1_i[i]   =  f1[i];
2872             f1_j[i]   = -f1[i] - g1[i];
2873             f1_k[i]   =  h1[i] + g1[i];
2874             f1_l[i]   = -h1[i];
2875
2876             f[a1i][i] = f[a1i][i] + f1_i[i];
2877             f[a1j][i] = f[a1j][i] + f1_j[i]; /* - f1[i] - g1[i] */
2878             f[a1k][i] = f[a1k][i] + f1_k[i]; /* h1[i] + g1[i] */
2879             f[a1l][i] = f[a1l][i] + f1_l[i]; /* h1[i] */
2880         }
2881
2882         /* Do forces - second torsion */
2883         fg2       = iprod(r2_ij, r2_kj);
2884         hg2       = iprod(r2_kl, r2_kj);
2885         fga2      = fg2*ra2r2*rgr2;
2886         hgb2      = hg2*rb2r2*rgr2;
2887         gaa2      = -ra2r2*rg2;
2888         gbb2      = rb2r2*rg2;
2889
2890         for (i = 0; i < DIM; i++)
2891         {
2892             dtf2[i]   = gaa2 * a2[i];
2893             dtg2[i]   = fga2 * a2[i] - hgb2 * b2[i];
2894             dth2[i]   = gbb2 * b2[i];
2895
2896             f2[i]     = df2  * dtf2[i];
2897             g2[i]     = df2  * dtg2[i];
2898             h2[i]     = df2  * dth2[i];
2899
2900             f2_i[i]   =  f2[i];
2901             f2_j[i]   = -f2[i] - g2[i];
2902             f2_k[i]   =  h2[i] + g2[i];
2903             f2_l[i]   = -h2[i];
2904
2905             f[a2i][i] = f[a2i][i] + f2_i[i]; /* f2[i] */
2906             f[a2j][i] = f[a2j][i] + f2_j[i]; /* - f2[i] - g2[i] */
2907             f[a2k][i] = f[a2k][i] + f2_k[i]; /* h2[i] + g2[i] */
2908             f[a2l][i] = f[a2l][i] + f2_l[i]; /* - h2[i] */
2909         }
2910
2911         /* Shift forces */
2912         if (g)
2913         {
2914             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a1j), jt1);
2915             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1i),  jt1, dt1_ij);
2916             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1k),  jt1, dt1_kj);
2917             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1l),  jt1, dt1_lj);
2918             t11 = IVEC2IS(dt1_ij);
2919             t21 = IVEC2IS(dt1_kj);
2920             t31 = IVEC2IS(dt1_lj);
2921
2922             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a2j), jt2);
2923             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2i),  jt2, dt2_ij);
2924             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2k),  jt2, dt2_kj);
2925             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2l),  jt2, dt2_lj);
2926             t12 = IVEC2IS(dt2_ij);
2927             t22 = IVEC2IS(dt2_kj);
2928             t32 = IVEC2IS(dt2_lj);
2929         }
2930         else if (pbc)
2931         {
2932             t31 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1j], h1);
2933             t32 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2j], h2);
2934         }
2935         else
2936         {
2937             t31 = CENTRAL;
2938             t32 = CENTRAL;
2939         }
2940
2941         rvec_inc(fshift[t11], f1_i);
2942         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f1_j);
2943         rvec_inc(fshift[t21], f1_k);
2944         rvec_inc(fshift[t31], f1_l);
2945
2946         rvec_inc(fshift[t21], f2_i);
2947         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f2_j);
2948         rvec_inc(fshift[t22], f2_k);
2949         rvec_inc(fshift[t32], f2_l);
2950     }
2951     return vtot;
2952 }
2953
2954
2955
2956 /***********************************************************
2957  *
2958  *   G R O M O S  9 6   F U N C T I O N S
2959  *
2960  ***********************************************************/
2961 real g96harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
2962                  real *V, real *F)
2963 {
2964     const real half = 0.5;
2965     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
2966     real       v, f, dvdlambda;
2967
2968     L1    = 1.0-lambda;
2969     kk    = L1*kA+lambda*kB;
2970     x0    = L1*xA+lambda*xB;
2971
2972     dx    = x-x0;
2973     dx2   = dx*dx;
2974
2975     f          = -kk*dx;
2976     v          = half*kk*dx2;
2977     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
2978
2979     *F    = f;
2980     *V    = v;
2981
2982     return dvdlambda;
2983
2984     /* That was 21 flops */
2985 }
2986
2987 real g96bonds(int nbonds,
2988               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2989               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2990               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2991               real lambda, real *dvdlambda,
2992               const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2993               int *global_atom_index)
2994 {
2995     int  i, m, ki, ai, aj, type;
2996     real dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
2997     rvec dx;
2998     ivec dt;
2999
3000     vtot = 0.0;
3001     for (i = 0; (i < nbonds); )
3002     {
3003         type = forceatoms[i++];
3004         ai   = forceatoms[i++];
3005         aj   = forceatoms[i++];
3006
3007         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3008         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3009
3010         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3011                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3012                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3013                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3014                                   dr2, lambda, &vbond, &fbond);
3015
3016         vtot  += 0.5*vbond;                         /* 1*/
3017 #ifdef DEBUG
3018         if (debug)
3019         {
3020             fprintf(debug, "G96-BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3021                     sqrt(dr2), vbond, fbond);
3022         }
3023 #endif
3024
3025         if (g)
3026         {
3027             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3028             ki = IVEC2IS(dt);
3029         }
3030         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3031         {
3032             fij                 = fbond*dx[m];
3033             f[ai][m]           += fij;
3034             f[aj][m]           -= fij;
3035             fshift[ki][m]      += fij;
3036             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3037         }
3038     }               /* 44 TOTAL */
3039     return vtot;
3040 }
3041
3042 real g96bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
3043                    rvec r_ij, rvec r_kj,
3044                    int *t1, int *t2)
3045 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
3046 {
3047     real costh;
3048
3049     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
3050     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
3051
3052     costh = cos_angle(r_ij, r_kj);         /* 25                */
3053     /* 41 TOTAL */
3054     return costh;
3055 }
3056
3057 real g96angles(int nbonds,
3058                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3059                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3060                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3061                real lambda, real *dvdlambda,
3062                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3063                int *global_atom_index)
3064 {
3065     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3066     rvec r_ij, r_kj;
3067     real cos_theta, dVdt, va, vtot;
3068     real rij_1, rij_2, rkj_1, rkj_2, rijrkj_1;
3069     rvec f_i, f_j, f_k;
3070     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3071
3072     vtot = 0.0;
3073     for (i = 0; (i < nbonds); )
3074     {
3075         type = forceatoms[i++];
3076         ai   = forceatoms[i++];
3077         aj   = forceatoms[i++];
3078         ak   = forceatoms[i++];
3079
3080         cos_theta  = g96bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc, r_ij, r_kj, &t1, &t2);
3081
3082         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3083                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3084                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3085                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3086                                   cos_theta, lambda, &va, &dVdt);
3087         vtot    += va;
3088
3089         rij_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_ij, r_ij));
3090         rkj_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_kj, r_kj));
3091         rij_2    = rij_1*rij_1;
3092         rkj_2    = rkj_1*rkj_1;
3093         rijrkj_1 = rij_1*rkj_1;                 /* 23 */
3094
3095 #ifdef DEBUG
3096         if (debug)
3097         {
3098             fprintf(debug, "G96ANGLES: costheta = %10g  vth = %10g  dV/dct = %10g\n",
3099                     cos_theta, va, dVdt);
3100         }
3101 #endif
3102         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  42  */
3103         {
3104             f_i[m]    = dVdt*(r_kj[m]*rijrkj_1 - r_ij[m]*rij_2*cos_theta);
3105             f_k[m]    = dVdt*(r_ij[m]*rijrkj_1 - r_kj[m]*rkj_2*cos_theta);
3106             f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3107             f[ai][m] += f_i[m];
3108             f[aj][m] += f_j[m];
3109             f[ak][m] += f_k[m];
3110         }
3111
3112         if (g)
3113         {
3114             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3115
3116             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3117             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3118             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3119             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3120         }
3121         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3122         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3123         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3124         /* 163 TOTAL    */
3125     }
3126     return vtot;
3127 }
3128
3129 real cross_bond_bond(int nbonds,
3130                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3131                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3132                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3133                      real lambda, real *dvdlambda,
3134                      const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3135                      int *global_atom_index)
3136 {
3137     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3138      * pp. 842-847
3139      */
3140     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3141     rvec r_ij, r_kj;
3142     real vtot, vrr, s1, s2, r1, r2, r1e, r2e, krr;
3143     rvec f_i, f_j, f_k;
3144     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3145
3146     vtot = 0.0;
3147     for (i = 0; (i < nbonds); )
3148     {
3149         type = forceatoms[i++];
3150         ai   = forceatoms[i++];
3151         aj   = forceatoms[i++];
3152         ak   = forceatoms[i++];
3153         r1e  = forceparams[type].cross_bb.r1e;
3154         r2e  = forceparams[type].cross_bb.r2e;
3155         krr  = forceparams[type].cross_bb.krr;
3156
3157         /* Compute distance vectors ... */
3158         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3159         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3160
3161         /* ... and their lengths */
3162         r1 = norm(r_ij);
3163         r2 = norm(r_kj);
3164
3165         /* Deviations from ideality */
3166         s1 = r1-r1e;
3167         s2 = r2-r2e;
3168
3169         /* Energy (can be negative!) */
3170         vrr   = krr*s1*s2;
3171         vtot += vrr;
3172
3173         /* Forces */
3174         svmul(-krr*s2/r1, r_ij, f_i);
3175         svmul(-krr*s1/r2, r_kj, f_k);
3176
3177         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3178         {
3179             f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
3180             f[ai][m] += f_i[m];
3181             f[aj][m] += f_j[m];
3182             f[ak][m] += f_k[m];
3183         }
3184
3185         /* Virial stuff */
3186         if (g)
3187         {
3188             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3189
3190             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3191             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3192             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3193             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3194         }
3195         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3196         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3197         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3198         /* 163 TOTAL    */
3199     }
3200     return vtot;
3201 }
3202
3203 real cross_bond_angle(int nbonds,
3204                       const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3205                       const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3206                       const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3207                       real lambda, real *dvdlambda,
3208                       const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3209                       int *global_atom_index)
3210 {
3211     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3212      * pp. 842-847
3213      */
3214     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2, t3;
3215     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
3216     real vtot, vrt, s1, s2, s3, r1, r2, r3, r1e, r2e, r3e, krt, k1, k2, k3;
3217     rvec f_i, f_j, f_k;
3218     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3219
3220     vtot = 0.0;
3221     for (i = 0; (i < nbonds); )
3222     {
3223         type = forceatoms[i++];
3224         ai   = forceatoms[i++];
3225         aj   = forceatoms[i++];
3226         ak   = forceatoms[i++];
3227         r1e  = forceparams[type].cross_ba.r1e;
3228         r2e  = forceparams[type].cross_ba.r2e;
3229         r3e  = forceparams[type].cross_ba.r3e;
3230         krt  = forceparams[type].cross_ba.krt;
3231
3232         /* Compute distance vectors ... */
3233         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3234         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3235         t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);
3236
3237         /* ... and their lengths */
3238         r1 = norm(r_ij);
3239         r2 = norm(r_kj);
3240         r3 = norm(r_ik);
3241
3242         /* Deviations from ideality */
3243         s1 = r1-r1e;
3244         s2 = r2-r2e;
3245         s3 = r3-r3e;
3246
3247         /* Energy (can be negative!) */
3248         vrt   = krt*s3*(s1+s2);
3249         vtot += vrt;
3250
3251         /* Forces */
3252         k1 = -krt*(s3/r1);
3253         k2 = -krt*(s3/r2);
3254         k3 = -krt*(s1+s2)/r3;
3255         for (m = 0; (m < DIM); m++)
3256         {
3257             f_i[m] = k1*r_ij[m] + k3*r_ik[m];
3258             f_k[m] = k2*r_kj[m] - k3*r_ik[m];
3259             f_j[m] = -f_i[m] - f_k[m];
3260         }
3261
3262         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3263         {
3264             f[ai][m] += f_i[m];
3265             f[aj][m] += f_j[m];
3266             f[ak][m] += f_k[m];
3267         }
3268
3269         /* Virial stuff */
3270         if (g)
3271         {
3272             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3273
3274             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3275             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3276             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3277             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3278         }
3279         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3280         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3281         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3282         /* 163 TOTAL    */
3283     }
3284     return vtot;
3285 }
3286
3287 static real bonded_tab(const char *type, int table_nr,
3288                        const bondedtable_t *table, real kA, real kB, real r,
3289                        real lambda, real *V, real *F)
3290 {
3291     real k, tabscale, *VFtab, rt, eps, eps2, Yt, Ft, Geps, Heps2, Fp, VV, FF;
3292     int  n0, nnn;
3293     real v, f, dvdlambda;
3294
3295     k = (1.0 - lambda)*kA + lambda*kB;
3296
3297     tabscale = table->scale;
3298     VFtab    = table->data;
3299
3300     rt    = r*tabscale;
3301     n0    = rt;
3302     if (n0 >= table->n)
3303     {
3304         gmx_fatal(FARGS, "A tabulated %s interaction table number %d is out of the table range: r %f, between table indices %d and %d, table length %d",
3305                   type, table_nr, r, n0, n0+1, table->n);
3306     }
3307     eps   = rt - n0;
3308     eps2  = eps*eps;
3309     nnn   = 4*n0;
3310     Yt    = VFtab[nnn];
3311     Ft    = VFtab[nnn+1];
3312     Geps  = VFtab[nnn+2]*eps;
3313     Heps2 = VFtab[nnn+3]*eps2;
3314     Fp    = Ft + Geps + Heps2;
3315     VV    = Yt + Fp*eps;
3316     FF    = Fp + Geps + 2.0*Heps2;
3317
3318     *F         = -k*FF*tabscale;
3319     *V         = k*VV;
3320     dvdlambda  = (kB - kA)*VV;
3321
3322     return dvdlambda;
3323
3324     /* That was 22 flops */
3325 }
3326
3327 real tab_bonds(int nbonds,
3328                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3329                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3330                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3331                real lambda, real *dvdlambda,
3332                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3333                int *global_atom_index)
3334 {
3335     int  i, m, ki, ai, aj, type, table;
3336     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3337     rvec dx;
3338     ivec dt;
3339
3340     vtot = 0.0;
3341     for (i = 0; (i < nbonds); )
3342     {
3343         type = forceatoms[i++];
3344         ai   = forceatoms[i++];
3345         aj   = forceatoms[i++];
3346
3347         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3348         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3349         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
3350
3351         table = forceparams[type].tab.table;
3352
3353         *dvdlambda += bonded_tab("bond", table,
3354                                  &fcd->bondtab[table],
3355                                  forceparams[type].tab.kA,
3356                                  forceparams[type].tab.kB,
3357                                  dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  22 */
3358
3359         if (dr2 == 0.0)
3360         {
3361             continue;
3362         }
3363
3364
3365         vtot  += vbond;            /* 1*/
3366         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
3367 #ifdef DEBUG
3368         if (debug)
3369         {
3370             fprintf(debug, "TABBONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3371                     dr, vbond, fbond);
3372         }
3373 #endif
3374         if (g)
3375         {
3376             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3377             ki = IVEC2IS(dt);
3378         }
3379         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3380         {
3381             fij                 = fbond*dx[m];
3382             f[ai][m]           += fij;
3383             f[aj][m]           -= fij;
3384             fshift[ki][m]      += fij;
3385             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3386         }
3387     }               /* 62 TOTAL */
3388     return vtot;
3389 }
3390
3391 real tab_angles(int nbonds,
3392                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3393                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3394                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3395                 real lambda, real *dvdlambda,
3396                 const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3397                 int *global_atom_index)
3398 {
3399     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type, table;
3400     rvec r_ij, r_kj;
3401     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
3402     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3403
3404     vtot = 0.0;
3405     for (i = 0; (i < nbonds); )
3406     {
3407         type = forceatoms[i++];
3408         ai   = forceatoms[i++];
3409         aj   = forceatoms[i++];
3410         ak   = forceatoms[i++];
3411
3412         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
3413                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
3414
3415         table = forceparams[type].tab.table;
3416
3417         *dvdlambda += bonded_tab("angle", table,
3418                                  &fcd->angletab[table],
3419                                  forceparams[type].tab.kA,
3420                                  forceparams[type].tab.kB,
3421                                  theta, lambda, &va, &dVdt); /*  22  */
3422         vtot += va;
3423
3424         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
3425         if (cos_theta2 < 1)
3426         {
3427             int  m;
3428             real snt, st, sth;
3429             real cik, cii, ckk;
3430             real nrkj2, nrij2;
3431             rvec f_i, f_j, f_k;
3432
3433             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
3434             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
3435 #ifdef DEBUG
3436             if (debug)
3437             {
3438                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
3439                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
3440             }
3441 #endif
3442             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
3443             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
3444
3445             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
3446             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
3447             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
3448
3449             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
3450             {
3451                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
3452                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
3453                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3454                 f[ai][m] += f_i[m];
3455                 f[aj][m] += f_j[m];
3456                 f[ak][m] += f_k[m];
3457             }
3458             if (g)
3459             {
3460                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3461
3462                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3463                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3464                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3465                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3466             }
3467             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3468             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3469             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
3470         }                                       /* 169 TOTAL    */
3471     }
3472     return vtot;
3473 }
3474
3475 real tab_dihs(int nbonds,
3476               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3477               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3478               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3479               real lambda, real *dvdlambda,
3480               const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3481               int *global_atom_index)
3482 {
3483     int  i, type, ai, aj, ak, al, table;
3484     int  t1, t2, t3;
3485     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
3486     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
3487
3488     vtot = 0.0;
3489     for (i = 0; (i < nbonds); )
3490     {
3491         type = forceatoms[i++];
3492         ai   = forceatoms[i++];
3493         aj   = forceatoms[i++];
3494         ak   = forceatoms[i++];
3495         al   = forceatoms[i++];
3496
3497         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3498                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84  */
3499
3500         table = forceparams[type].tab.table;
3501
3502         /* Hopefully phi+M_PI never results in values < 0 */
3503         *dvdlambda += bonded_tab("dihedral", table,
3504                                  &fcd->dihtab[table],
3505                                  forceparams[type].tab.kA,
3506                                  forceparams[type].tab.kB,
3507                                  phi+M_PI, lambda, &vpd, &ddphi);
3508
3509         vtot += vpd;
3510         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, -ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3511                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112    */
3512
3513 #ifdef DEBUG
3514         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
3515                 ai, aj, ak, al, phi);
3516 #endif
3517     } /* 227 TOTAL  */
3518
3519     return vtot;
3520 }
3521
3522 static unsigned
3523 calc_bonded_reduction_mask(const t_idef *idef,
3524                            int shift,
3525                            int t, int nt)
3526 {
3527     unsigned mask;
3528     int      ftype, nb, nat1, nb0, nb1, i, a;
3529
3530     mask = 0;
3531
3532     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
3533     {
3534         if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND &&
3535             !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES) &&
3536             (ftype<F_GB12 || ftype>F_GB14))
3537         {
3538             nb = idef->il[ftype].nr;
3539             if (nb > 0)
3540             {
3541                 nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3542
3543                 /* Divide this interaction equally over the threads.
3544                  * This is not stored: should match division in calc_bonds.
3545                  */
3546                 nb0 = (((nb/nat1)* t   )/nt)*nat1;
3547                 nb1 = (((nb/nat1)*(t+1))/nt)*nat1;
3548
3549                 for (i = nb0; i < nb1; i += nat1)
3550                 {
3551                     for (a = 1; a < nat1; a++)
3552                     {
3553                         mask |= (1U << (idef->il[ftype].iatoms[i+a]>>shift));
3554                     }
3555                 }
3556             }
3557         }
3558     }
3559
3560     return mask;
3561 }
3562
3563 void init_bonded_thread_force_reduction(t_forcerec   *fr,
3564                                         const t_idef *idef)
3565 {
3566 #define MAX_BLOCK_BITS 32
3567     int t;
3568     int ctot, c, b;
3569
3570     if (fr->nthreads <= 1)
3571     {
3572         fr->red_nblock = 0;
3573
3574         return;
3575     }
3576
3577     /* We divide the force array in a maximum of 32 blocks.
3578      * Minimum force block reduction size is 2^6=64.
3579      */
3580     fr->red_ashift = 6;
3581     while (fr->natoms_force > (int)(MAX_BLOCK_BITS*(1U<<fr->red_ashift)))
3582     {
3583         fr->red_ashift++;
3584     }
3585     if (debug)
3586     {
3587         fprintf(debug, "bonded force buffer block atom shift %d bits\n",
3588                 fr->red_ashift);
3589     }
3590
3591     /* Determine to which blocks each thread's bonded force calculation
3592      * contributes. Store this is a mask for each thread.
3593      */
3594 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
3595     for (t = 1; t < fr->nthreads; t++)
3596     {
3597         fr->f_t[t].red_mask =
3598             calc_bonded_reduction_mask(idef, fr->red_ashift, t, fr->nthreads);
3599     }
3600
3601     /* Determine the maximum number of blocks we need to reduce over */
3602     fr->red_nblock = 0;
3603     ctot           = 0;
3604     for (t = 0; t < fr->nthreads; t++)
3605     {
3606         c = 0;
3607         for (b = 0; b < MAX_BLOCK_BITS; b++)
3608         {
3609             if (fr->f_t[t].red_mask & (1U<<b))
3610             {
3611                 fr->red_nblock = max(fr->red_nblock, b+1);
3612                 c++;
3613             }
3614         }
3615         if (debug)
3616         {
3617             fprintf(debug, "thread %d flags %x count %d\n",
3618                     t, fr->f_t[t].red_mask, c);
3619         }
3620         ctot += c;
3621     }
3622     if (debug)
3623     {
3624         fprintf(debug, "Number of blocks to reduce: %d of size %d\n",
3625                 fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
3626         fprintf(debug, "Reduction density %.2f density/#thread %.2f\n",
3627                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)fr->natoms_force,
3628                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)(fr->natoms_force*fr->nthreads));
3629     }
3630 }
3631
3632 static void zero_thread_forces(f_thread_t *f_t, int n,
3633                                int nblock, int blocksize)
3634 {
3635     int b, a0, a1, a, i, j;
3636
3637     if (n > f_t->f_nalloc)
3638     {
3639         f_t->f_nalloc = over_alloc_large(n);
3640         srenew(f_t->f, f_t->f_nalloc);
3641     }
3642
3643     if (f_t->red_mask != 0)
3644     {
3645         for (b = 0; b < nblock; b++)
3646         {
3647             if (f_t->red_mask && (1U<<b))
3648             {
3649                 a0 = b*blocksize;
3650                 a1 = min((b+1)*blocksize, n);
3651                 for (a = a0; a < a1; a++)
3652                 {
3653                     clear_rvec(f_t->f[a]);
3654                 }
3655             }
3656         }
3657     }
3658     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
3659     {
3660         clear_rvec(f_t->fshift[i]);
3661     }
3662     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
3663     {
3664         f_t->ener[i] = 0;
3665     }
3666     for (i = 0; i < egNR; i++)
3667     {
3668         for (j = 0; j < f_t->grpp.nener; j++)
3669         {
3670             f_t->grpp.ener[i][j] = 0;
3671         }
3672     }
3673     for (i = 0; i < efptNR; i++)
3674     {
3675         f_t->dvdl[i] = 0;
3676     }
3677 }
3678
3679 static void reduce_thread_force_buffer(int n, rvec *f,
3680                                        int nthreads, f_thread_t *f_t,
3681                                        int nblock, int block_size)
3682 {
3683     /* The max thread number is arbitrary,
3684      * we used a fixed number to avoid memory management.
3685      * Using more than 16 threads is probably never useful performance wise.
3686      */
3687 #define MAX_BONDED_THREADS 256
3688     int b;
3689
3690     if (nthreads > MAX_BONDED_THREADS)
3691     {
3692         gmx_fatal(FARGS, "Can not reduce bonded forces on more than %d threads",
3693                   MAX_BONDED_THREADS);
3694     }
3695
3696     /* This reduction can run on any number of threads,
3697      * independently of nthreads.
3698      */
3699 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
3700     for (b = 0; b < nblock; b++)
3701     {
3702         rvec *fp[MAX_BONDED_THREADS];
3703         int   nfb, ft, fb;
3704         int   a0, a1, a;
3705
3706         /* Determine which threads contribute to this block */
3707         nfb = 0;
3708         for (ft = 1; ft < nthreads; ft++)
3709         {
3710             if (f_t[ft].red_mask & (1U<<b))
3711             {
3712                 fp[nfb++] = f_t[ft].f;
3713             }
3714         }
3715         if (nfb > 0)
3716         {
3717             /* Reduce force buffers for threads that contribute */
3718             a0 =  b   *block_size;
3719             a1 = (b+1)*block_size;
3720             a1 = min(a1, n);
3721             for (a = a0; a < a1; a++)
3722             {
3723                 for (fb = 0; fb < nfb; fb++)
3724                 {
3725                     rvec_inc(f[a], fp[fb][a]);
3726                 }
3727             }
3728         }
3729     }
3730 }
3731
3732 static void reduce_thread_forces(int n, rvec *f, rvec *fshift,
3733                                  real *ener, gmx_grppairener_t *grpp, real *dvdl,
3734                                  int nthreads, f_thread_t *f_t,
3735                                  int nblock, int block_size,
3736                                  gmx_bool bCalcEnerVir,
3737                                  gmx_bool bDHDL)
3738 {
3739     if (nblock > 0)
3740     {
3741         /* Reduce the bonded force buffer */
3742         reduce_thread_force_buffer(n, f, nthreads, f_t, nblock, block_size);
3743     }
3744
3745     /* When necessary, reduce energy and virial using one thread only */
3746     if (bCalcEnerVir)
3747     {
3748         int t, i, j;
3749
3750         for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
3751         {
3752             for (t = 1; t < nthreads; t++)
3753             {
3754                 rvec_inc(fshift[i], f_t[t].fshift[i]);
3755             }
3756         }
3757         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
3758         {
3759             for (t = 1; t < nthreads; t++)
3760             {
3761                 ener[i] += f_t[t].ener[i];
3762             }
3763         }
3764         for (i = 0; i < egNR; i++)
3765         {
3766             for (j = 0; j < f_t[1].grpp.nener; j++)
3767             {
3768                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
3769                 {
3770
3771                     grpp->ener[i][j] += f_t[t].grpp.ener[i][j];
3772                 }
3773             }
3774         }
3775         if (bDHDL)
3776         {
3777             for (i = 0; i < efptNR; i++)
3778             {
3779
3780                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
3781                 {
3782                     dvdl[i] += f_t[t].dvdl[i];
3783                 }
3784             }
3785         }
3786     }
3787 }
3788
3789 static real calc_one_bond(FILE *fplog, int thread,
3790                           int ftype, const t_idef *idef,
3791                           rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3792                           t_forcerec *fr,
3793                           const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3794                           gmx_enerdata_t *enerd, gmx_grppairener_t *grpp,
3795                           t_nrnb *nrnb,
3796                           real *lambda, real *dvdl,
3797                           const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3798                           gmx_bool bCalcEnerVir,
3799                           int *global_atom_index, gmx_bool bPrintSepPot)
3800 {
3801     int      ind, nat1, nbonds, efptFTYPE;
3802     real     v = 0;
3803     t_iatom *iatoms;
3804     int      nb0, nbn;
3805
3806     if (IS_RESTRAINT_TYPE(ftype))
3807     {
3808         efptFTYPE = efptRESTRAINT;
3809     }
3810     else
3811     {
3812         efptFTYPE = efptBONDED;
3813     }
3814
3815     if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND &&
3816         !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES))
3817     {
3818         ind       = interaction_function[ftype].nrnb_ind;
3819         nat1      = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3820         nbonds    = idef->il[ftype].nr/nat1;
3821         iatoms    = idef->il[ftype].iatoms;
3822
3823         nb0 = ((nbonds* thread   )/(fr->nthreads))*nat1;
3824         nbn = ((nbonds*(thread+1))/(fr->nthreads))*nat1 - nb0;
3825
3826         if (!IS_LISTED_LJ_C(ftype))
3827         {
3828             if (ftype == F_CMAP)
3829             {
3830                 v = cmap_dihs(nbn, iatoms+nb0,
3831                               idef->iparams, &idef->cmap_grid,
3832                               (const rvec*)x, f, fshift,
3833                               pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
3834                               md, fcd, global_atom_index);
3835             }
3836             else if (ftype == F_PDIHS &&
3837                      !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
3838             {
3839                 /* No energies, shift forces, dvdl */
3840 #ifndef SSE_PROPER_DIHEDRALS
3841                 pdihs_noener
3842 #else
3843                 pdihs_noener_sse
3844 #endif
3845                     (nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
3846                     idef->iparams,
3847                     (const rvec*)x, f,
3848                     pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
3849                     global_atom_index);
3850                 v = 0;
3851             }
3852             else
3853             {
3854                 v = interaction_function[ftype].ifunc(nbn, iatoms+nb0,
3855                                                       idef->iparams,
3856                                                       (const rvec*)x, f, fshift,
3857                                                       pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
3858                                                       md, fcd, global_atom_index);
3859             }
3860             if (bPrintSepPot)
3861             {
3862                 fprintf(fplog, "  %-23s #%4d  V %12.5e  dVdl %12.5e\n",
3863                         interaction_function[ftype].longname,
3864                         nbonds/nat1, v, lambda[efptFTYPE]);
3865             }
3866         }
3867         else
3868         {
3869             v = do_nonbonded_listed(ftype, nbn, iatoms+nb0, idef->iparams, (const rvec*)x, f, fshift,
3870                                     pbc, g, lambda, dvdl, md, fr, grpp, global_atom_index);
3871
3872             enerd->dvdl_nonlin[efptCOUL] += dvdl[efptCOUL];
3873             enerd->dvdl_nonlin[efptVDW]  += dvdl[efptVDW];
3874
3875             if (bPrintSepPot)
3876             {
3877                 fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
3878                         interaction_function[ftype].longname,
3879                         interaction_function[F_LJ14].longname, nbonds/nat1, dvdl[efptVDW]);
3880                 fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
3881                         interaction_function[ftype].longname,
3882                         interaction_function[F_COUL14].longname, nbonds/nat1, dvdl[efptCOUL]);
3883             }
3884         }
3885         if (ind != -1 && thread == 0)
3886         {
3887             inc_nrnb(nrnb, ind, nbonds);
3888         }
3889     }
3890
3891     return v;
3892 }
3893
3894 /* WARNING!  THIS FUNCTION MUST EXACTLY TRACK THE calc
3895    function, or horrible things will happen when doing free energy
3896    calculations!  In a good coding world, this would not be a
3897    different function, but for speed reasons, it needs to be made a
3898    separate function.  TODO for 5.0 - figure out a way to reorganize
3899    to reduce duplication.
3900  */
3901
3902 static real calc_one_bond_foreign(FILE *fplog, int ftype, const t_idef *idef,
3903                                   rvec x[], rvec f[], t_forcerec *fr,
3904                                   const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3905                                   gmx_grppairener_t *grpp, t_nrnb *nrnb,
3906                                   real *lambda, real *dvdl,
3907                                   const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3908                                   int *global_atom_index, gmx_bool bPrintSepPot)
3909 {
3910     int      ind, nat1, nbonds, efptFTYPE, nbonds_np;
3911     real     v = 0;
3912     t_iatom *iatoms;
3913
3914     if (IS_RESTRAINT_TYPE(ftype))
3915     {
3916         efptFTYPE = efptRESTRAINT;
3917     }
3918     else
3919     {
3920         efptFTYPE = efptBONDED;
3921     }
3922
3923     if (ftype < F_GB12 || ftype > F_GB14)
3924     {
3925         if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND &&
3926             !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES || ftype == F_FBPOSRES))
3927         {
3928             ind       = interaction_function[ftype].nrnb_ind;
3929             nat1      = interaction_function[ftype].nratoms+1;
3930             nbonds_np = idef->il[ftype].nr_nonperturbed;
3931             nbonds    = idef->il[ftype].nr - nbonds_np;
3932             iatoms    = idef->il[ftype].iatoms + nbonds_np;
3933             if (nbonds > 0)
3934             {
3935                 if (!IS_LISTED_LJ_C(ftype))
3936                 {
3937                     if (ftype == F_CMAP)
3938                     {
3939                         v = cmap_dihs(nbonds, iatoms,
3940                                       idef->iparams, &idef->cmap_grid,
3941                                       (const rvec*)x, f, fr->fshift,
3942                                       pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]), md, fcd,
3943                                       global_atom_index);
3944                     }
3945                     else
3946                     {
3947                         v =     interaction_function[ftype].ifunc(nbonds, iatoms,
3948                                                                   idef->iparams,
3949                                                                   (const rvec*)x, f, fr->fshift,
3950                                                                   pbc, g, lambda[efptFTYPE], &dvdl[efptFTYPE],
3951                                                                   md, fcd, global_atom_index);
3952                     }
3953                 }
3954                 else
3955                 {
3956                     v = do_nonbonded_listed(ftype, nbonds, iatoms,
3957                                             idef->iparams,
3958                                             (const rvec*)x, f, fr->fshift,
3959                                             pbc, g, lambda, dvdl,
3960                                             md, fr, grpp, global_atom_index);
3961                 }
3962                 if (ind != -1)
3963                 {
3964                     inc_nrnb(nrnb, ind, nbonds/nat1);
3965                 }
3966             }
3967         }
3968     }
3969     return v;
3970 }
3971
3972 void calc_bonds(FILE *fplog, const gmx_multisim_t *ms,
3973                 const t_idef *idef,
3974                 rvec x[], history_t *hist,
3975                 rvec f[], t_forcerec *fr,
3976                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3977                 gmx_enerdata_t *enerd, t_nrnb *nrnb,
3978                 real *lambda,
3979                 const t_mdatoms *md,
3980                 t_fcdata *fcd, int *global_atom_index,
3981                 t_atomtypes *atype, gmx_genborn_t *born,
3982                 int force_flags,
3983                 gmx_bool bPrintSepPot, gmx_large_int_t step)
3984 {
3985     gmx_bool      bCalcEnerVir;
3986     int           i;
3987     real          v, dvdl[efptNR], dvdl_dum[efptNR]; /* The dummy array is to have a place to store the dhdl at other values
3988                                                         of lambda, which will be thrown away in the end*/
3989     const  t_pbc *pbc_null;
3990     char          buf[22];
3991     int           thread;
3992
3993     bCalcEnerVir = (force_flags & (GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY));
3994
3995     for (i = 0; i < efptNR; i++)
3996     {
3997         dvdl[i] = 0.0;
3998     }
3999     if (fr->bMolPBC)
4000     {
4001         pbc_null = pbc;
4002     }
4003     else
4004     {
4005         pbc_null = NULL;
4006     }
4007     if (bPrintSepPot)
4008     {
4009         fprintf(fplog, "Step %s: bonded V and dVdl for this node\n",
4010                 gmx_step_str(step, buf));
4011     }
4012
4013 #ifdef DEBUG
4014     if (g && debug)
4015     {
4016         p_graph(debug, "Bondage is fun", g);
4017     }
4018 #endif
4019
4020     /* Do pre force calculation stuff which might require communication */
4021     if (idef->il[F_ORIRES].nr)
4022     {
4023         enerd->term[F_ORIRESDEV] =
4024             calc_orires_dev(ms, idef->il[F_ORIRES].nr,
4025                             idef->il[F_ORIRES].iatoms,
4026                             idef->iparams, md, (const rvec*)x,
4027                             pbc_null, fcd, hist);
4028     }
4029     if (idef->il[F_DISRES].nr)
4030     {
4031         calc_disres_R_6(ms, idef->il[F_DISRES].nr,
4032                         idef->il[F_DISRES].iatoms,
4033                         idef->iparams, (const rvec*)x, pbc_null,
4034                         fcd, hist);
4035     }
4036
4037 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
4038     for (thread = 0; thread < fr->nthreads; thread++)
4039     {
4040         int                ftype, nbonds, ind, nat1;
4041         real              *epot, v;
4042         /* thread stuff */
4043         rvec              *ft, *fshift;
4044         real              *dvdlt;
4045         gmx_grppairener_t *grpp;
4046         int                nb0, nbn;
4047
4048         if (thread == 0)
4049         {
4050             ft     = f;
4051             fshift = fr->fshift;
4052             epot   = enerd->term;
4053             grpp   = &enerd->grpp;
4054             dvdlt  = dvdl;
4055         }
4056         else
4057         {
4058             zero_thread_forces(&fr->f_t[thread], fr->natoms_force,
4059                                fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
4060
4061             ft     = fr->f_t[thread].f;
4062             fshift = fr->f_t[thread].fshift;
4063             epot   = fr->f_t[thread].ener;
4064             grpp   = &fr->f_t[thread].grpp;
4065             dvdlt  = fr->f_t[thread].dvdl;
4066         }
4067         /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded forces */
4068         for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4069         {
4070             if (idef->il[ftype].nr > 0 &&
4071                 (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
4072                 (ftype < F_GB12 || ftype > F_GB14) &&
4073                 !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES))
4074             {
4075                 v = calc_one_bond(fplog, thread, ftype, idef, x,
4076                                   ft, fshift, fr, pbc_null, g, enerd, grpp,
4077                                   nrnb, lambda, dvdlt,
4078                                   md, fcd, bCalcEnerVir,
4079                                   global_atom_index, bPrintSepPot);
4080                 epot[ftype]        += v;
4081             }
4082         }
4083     }
4084     if (fr->nthreads > 1)
4085     {
4086         reduce_thread_forces(fr->natoms_force, f, fr->fshift,
4087                              enerd->term, &enerd->grpp, dvdl,
4088                              fr->nthreads, fr->f_t,
4089                              fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift,
4090                              bCalcEnerVir,
4091                              force_flags & GMX_FORCE_DHDL);
4092     }
4093     if (force_flags & GMX_FORCE_DHDL)
4094     {
4095         for (i = 0; i < efptNR; i++)
4096         {
4097             enerd->dvdl_nonlin[i] += dvdl[i];
4098         }
4099     }
4100
4101     /* Copy the sum of violations for the distance restraints from fcd */
4102     if (fcd)
4103     {
4104         enerd->term[F_DISRESVIOL] = fcd->disres.sumviol;
4105
4106     }
4107 }
4108
4109 void calc_bonds_lambda(FILE *fplog,
4110                        const t_idef *idef,
4111                        rvec x[],
4112                        t_forcerec *fr,
4113                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4114                        gmx_grppairener_t *grpp, real *epot, t_nrnb *nrnb,
4115                        real *lambda,
4116                        const t_mdatoms *md,
4117                        t_fcdata *fcd,
4118                        int *global_atom_index)
4119 {
4120     int           i, ftype, nbonds_np, nbonds, ind, nat;
4121     real          v, dr, dr2;
4122     real          dvdl_dum[efptNR];
4123     rvec         *f, *fshift_orig;
4124     const  t_pbc *pbc_null;
4125     t_iatom      *iatom_fe;
4126
4127     if (fr->bMolPBC)
4128     {
4129         pbc_null = pbc;
4130     }
4131     else
4132     {
4133         pbc_null = NULL;
4134     }
4135
4136     snew(f, fr->natoms_force);
4137     /* We want to preserve the fshift array in forcerec */
4138     fshift_orig = fr->fshift;
4139     snew(fr->fshift, SHIFTS);
4140
4141     /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded forces */
4142     for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4143     {
4144         v = calc_one_bond_foreign(fplog, ftype, idef, x,
4145                                   f, fr, pbc_null, g, grpp, nrnb, lambda, dvdl_dum,
4146                                   md, fcd, global_atom_index, FALSE);
4147         epot[ftype] += v;
4148     }
4149
4150     sfree(fr->fshift);
4151     fr->fshift = fshift_orig;
4152     sfree(f);
4153 }