src/gromacs/topology/idef.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2018, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifndef GMX_TOPOLOGY_IDEF_H
  38 #define GMX_TOPOLOGY_IDEF_H
  39
  40 #include <stdio.h>
  41
  42 #include <array>
  43 #include <vector>
  44
  45 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  46 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
  47 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  48 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  49 #include "gromacs/utility/real.h"
  50
  51 typedef union t_iparams
  52 {
  53     /* Some parameters have A and B values for free energy calculations.
  54      * The B values are not used for regular simulations of course.
  55      * Free Energy for nonbondeds can be computed by changing the atom type.
  56      * The harmonic type is used for all harmonic potentials:
  57      * bonds, angles and improper dihedrals
  58      */
  59     struct {
  60         real a, b, c;
  61     } bham;
  62     struct {
  63         real rA, krA, rB, krB;
  64     } harmonic;
  65     struct {
  66         real klinA, aA, klinB, aB;
  67     } linangle;
  68     struct {
  69         real lowA, up1A, up2A, kA, lowB, up1B, up2B, kB;
  70     } restraint;
  71     /* No free energy supported for cubic bonds, FENE, WPOL or cross terms */
  72     struct {
  73         real b0, kb, kcub;
  74     } cubic;
  75     struct {
  76         real bm, kb;
  77     } fene;
  78     struct {
  79         real r1e, r2e, krr;
  80     } cross_bb;
  81     struct {
  82         real r1e, r2e, r3e, krt;
  83     } cross_ba;
  84     struct {
  85         real thetaA, kthetaA, r13A, kUBA, thetaB, kthetaB, r13B, kUBB;
  86     } u_b;
  87     struct {
  88         real theta, c[5];
  89     } qangle;
  90     struct {
  91         real alpha;
  92     } polarize;
  93     struct {
  94         real alpha, drcut, khyp;
  95     } anharm_polarize;
  96     struct {
  97         real al_x, al_y, al_z, rOH, rHH, rOD;
  98     } wpol;
  99     struct {
 100         real a, alpha1, alpha2, rfac;
 101     } thole;
 102     struct {
 103         real c6, c12;
 104     } lj;
 105     struct {
 106         real c6A, c12A, c6B, c12B;
 107     } lj14;
 108     struct {
 109         real fqq, qi, qj, c6, c12;
 110     } ljc14;
 111     struct {
 112         real qi, qj, c6, c12;
 113     } ljcnb;
 114     /* Proper dihedrals can not have different multiplicity when
 115      * doing free energy calculations, because the potential would not
 116      * be periodic anymore.
 117      */
 118     struct {
 119         real phiA, cpA; int mult; real phiB, cpB;
 120     } pdihs;
 121     struct {
 122         real dA, dB;
 123     } constr;
 124     /* Settle can not be used for Free energy calculations of water bond geometry.
 125      * Use shake (or lincs) instead if you have to change the water bonds.
 126      */
 127     struct {
 128         real doh, dhh;
 129     } settle;
 130     struct {
 131         real b0A, cbA, betaA, b0B, cbB, betaB;
 132     } morse;
 133     struct {
 134         real pos0A[DIM], fcA[DIM], pos0B[DIM], fcB[DIM];
 135     } posres;
 136     struct {
 137         real pos0[DIM], r, k; int geom;
 138     } fbposres;
 139     struct {
 140         real rbcA[NR_RBDIHS], rbcB[NR_RBDIHS];
 141     } rbdihs;
 142     struct {
 143         real cbtcA[NR_CBTDIHS], cbtcB[NR_CBTDIHS];
 144     } cbtdihs;
 145     struct {
 146         real a, b, c, d, e, f;
 147     } vsite;
 148     struct {
 149         int  n; real a;
 150     } vsiten;
 151     /* NOTE: npair is only set after reading the tpx file */
 152     struct {
 153         real low, up1, up2, kfac; int type, label, npair;
 154     } disres;
 155     struct {
 156         real phiA, dphiA, kfacA, phiB, dphiB, kfacB;
 157     } dihres;
 158     struct {
 159         int  ex, power, label; real c, obs, kfac;
 160     } orires;
 161     struct {
 162         int  table; real kA; real kB;
 163     } tab;
 164     struct {
 165         int cmapA, cmapB;
 166     } cmap;
 167     struct {
 168         real buf[MAXFORCEPARAM];
 169     } generic;                                               /* Conversion */
 170 } t_iparams;
 171
 172 typedef int t_functype;
 173
 174 /* List of listed interactions, see description further down.
 175  *
 176  * TODO: Consider storing the function type as well.
 177  * TODO: Consider providing per interaction access.
 178  */
 179 struct InteractionList
 180 {
 181     /* Returns the total number of elements in iatoms */
 182     int size() const
 183     {
 184         return iatoms.size();
 185     }
 186
 187     /* List of interactions, see explanation further down */
 188     std::vector<int> iatoms;
 189 };
 190
 191 /* List of interaction lists, one list for each interaction type
 192  *
 193  * TODO: Consider only including entries in use instead of all F_NRE
 194  */
 195 typedef std::array<InteractionList, F_NRE> InteractionLists;
 196
 197 /* Deprecated list of listed interactions.
 198  *
 199  * The nonperturbed/perturbed interactions are now separated (sorted) in the
 200  * ilist, such that the first 0..(nr_nonperturbed-1) ones are exactly that, and
 201  * the remaining ones from nr_nonperturbed..(nr-1) are perturbed bonded
 202  * interactions.
 203  */
 204 struct t_ilist
 205 {
 206     /* Returns the total number of elements in iatoms */
 207     int size() const
 208     {
 209         return nr;
 210     }
 211
 212     int      nr;
 213     int      nr_nonperturbed;
 214     t_iatom *iatoms;
 215     int      nalloc;
 216 };
 217
 218 /* TODO: Replace t_ilist in gmx_localtop_t by InteractionList.
 219  *       The nr_nonperturbed functionality needs to be ported.
 220  *       Remove t_topology.
 221  *       Remove t_ilist and remove templating on list type
 222  *       in mshift.cpp, constr.cpp, vsite.cpp and domdec_topology.cpp.
 223  */
 224
 225 /*
 226  * The structs InteractionList and t_ilist defines a list of atoms with their interactions.
 227  * General field description:
 228  *   int nr
 229  *      the size (nr elements) of the interactions array (iatoms[]).
 230  *   t_iatom *iatoms
 231  *  specifies which atoms are involved in an interaction of a certain
 232  *       type. The layout of this array is as follows:
 233  *
 234  *        +-----+---+---+---+-----+---+---+-----+---+---+---+-----+---+---+...
 235  *        |type1|at1|at2|at3|type2|at1|at2|type1|at1|at2|at3|type3|at1|at2|
 236  *        +-----+---+---+---+-----+---+---+-----+---+---+---+-----+---+---+...
 237  *
 238  *  So for interaction type type1 3 atoms are needed, and for type2 and
 239  *      type3 only 2. The type identifier is used to select the function to
 240  *      calculate the interaction and its actual parameters. This type
 241  *      identifier is an index in a params[] and functype[] array.
 242  */
 243
 244 /*! \brief Type for returning a list of InteractionList references
 245  *
 246  * TODO: Remove when the function type is made part of InteractionList
 247  */
 248 struct InteractionListHandle
 249 {
 250     const int               functionType; //!< The function type
 251     const std::vector<int> &iatoms;       //!< Reference to interaction list
 252 };
 253
 254 /*! \brief Returns a list of all non-empty InteractionList entries with any of the interaction flags in \p flags set
 255  *
 256  * \param[in] ilists  Set of interaction lists
 257  * \param[in] flags   Bit mask with one or more IF_... bits set
 258  */
 259 static inline const std::vector<InteractionListHandle>
 260 extractILists(const InteractionLists &ilists,
 261               int                     flags)
 262 {
 263     std::vector<InteractionListHandle> handles;
 264     for (size_t ftype = 0; ftype < ilists.size(); ftype++)
 265     {
 266         if ((interaction_function[ftype].flags & flags) && ilists[ftype].size() > 0)
 267         {
 268             handles.push_back({ static_cast<int>(ftype), ilists[ftype].iatoms });
 269         }
 270     }
 271     return handles;
 272 }
 273
 274 typedef struct
 275 {
 276     real *cmap; /* Has length 4*grid_spacing*grid_spacing, */
 277     /* there are 4 entries for each cmap type (V,dVdx,dVdy,d2dVdxdy) */
 278 } gmx_cmapdata_t;
 279
 280 typedef struct gmx_cmap_t
 281 {
 282     int             ngrid;        /* Number of allocated cmap (cmapdata_t ) grids */
 283     int             grid_spacing; /* Grid spacing */
 284     gmx_cmapdata_t *cmapdata;     /* Pointer to grid with actual, pre-interpolated data */
 285 } gmx_cmap_t;
 286
 287
 288 /* Struct that holds all force field parameters for the simulated system */
 289 struct gmx_ffparams_t
 290 {
 291     /* Returns the number of function types, which matches the number of elements in iparams */
 292     int numTypes() const
 293     {
 294         GMX_ASSERT(iparams.size() == functype.size(), "Parameters and function types go together");
 295
 296         return functype.size();
 297     }
 298
 299     /* TODO: Consider merging functype and iparams, either by storing
 300      *       the functype in t_iparams or by putting both in a single class.
 301      */
 302     int                     atnr;      /* The number of non-bonded atom types */
 303     std::vector<t_functype> functype;  /* The function type per type */
 304     std::vector<t_iparams>  iparams;   /* Force field parameters per type */
 305     double                  reppow;    /* The repulsion power for VdW: C12*r^-reppow   */
 306     real                    fudgeQQ;   /* The scaling factor for Coulomb 1-4: f*q1*q2  */
 307     gmx_cmap_t              cmap_grid; /* The dihedral correction maps                 */
 308 };
 309
 310 enum {
 311     ilsortUNKNOWN, ilsortNO_FE, ilsortFE_UNSORTED, ilsortFE_SORTED
 312 };
 313
 314 typedef struct t_idef
 315 {
 316     int         ntypes;
 317     int         atnr;
 318     t_functype *functype;
 319     t_iparams  *iparams;
 320     real        fudgeQQ;
 321     gmx_cmap_t  cmap_grid;
 322     t_iparams  *iparams_posres, *iparams_fbposres;
 323     int         iparams_posres_nalloc, iparams_fbposres_nalloc;
 324
 325     t_ilist     il[F_NRE];
 326     int         ilsort;
 327 } t_idef;
 328
 329 /*
 330  * The struct t_idef defines all the interactions for the complete
 331  * simulation. The structure is setup in such a way that the multinode
 332  * version of the program  can use it as easy as the single node version.
 333  * General field description:
 334  *   int ntypes
 335  *      defines the number of elements in functype[] and param[].
 336  *   int nodeid
 337  *      the node id (if parallel machines)
 338  *   int atnr
 339  *      the number of atomtypes
 340  *   t_functype *functype
 341  *      array of length ntypes, defines for every force type what type of
 342  *      function to use. Every "bond" with the same function but different
 343  *      force parameters is a different force type. The type identifier in the
 344  *      forceatoms[] array is an index in this array.
 345  *   t_iparams *iparams
 346  *      array of length ntypes, defines the parameters for every interaction
 347  *      type. The type identifier in the actual interaction list
 348  *      (ilist[ftype].iatoms[]) is an index in this array.
 349  *   gmx_cmap_t cmap_grid
 350  *      the grid for the dihedral pair correction maps.
 351  *   t_iparams *iparams_posres, *iparams_fbposres
 352  *      defines the parameters for position restraints only.
 353  *      Position restraints are the only interactions that have different
 354  *      parameters (reference positions) for different molecules
 355  *      of the same type. ilist[F_POSRES].iatoms[] is an index in this array.
 356  *   t_ilist il[F_NRE]
 357  *      The list of interactions for each type. Note that some,
 358  *      such as LJ and COUL will have 0 entries.
 359  *   int ilsort
 360  *      The state of the sorting of il, values are provided above.
 361  */
 362
 363 void pr_iparams(FILE *fp, t_functype ftype, const t_iparams *iparams);
 364 void pr_ilist(FILE *fp, int indent, const char *title,
 365               const t_functype *functype, const InteractionList &ilist,
 366               gmx_bool bShowNumbers,
 367               gmx_bool bShowParameters, const t_iparams *iparams);
 368 void pr_ffparams(FILE *fp, int indent, const char *title,
 369                  const gmx_ffparams_t *ffparams, gmx_bool bShowNumbers);
 370 void pr_idef(FILE *fp, int indent, const char *title, const t_idef *idef,
 371              gmx_bool bShowNumbers, gmx_bool bShowParameters);
 372
 373 /*! \brief
 374  * Properly initialize idef struct.
 375  *
 376  * \param[in] idef Pointer to idef struct to initialize.
 377  */
 378 void init_idef(t_idef *idef);
 379
 380 /*! \brief
 381  * Properly clean up idef struct.
 382  *
 383  * \param[in] idef Pointer to idef struct to clean up.
 384  */
 385 void done_idef(t_idef *idef);
 386
 387 #endif