MemoryManager.cpp

/*
 * QCORE Memory Manager: Metriplectic Memory with Plasma Z-Finch Centroid
 * 
 * Teoría:
 * - Centroide z-finch: x̄(N) = (1/A) ∫ θ(x,y) dA
 * - Viscosidad del baño: η(θ) = η₀ · exp(θ/T_thermal)
 * - Métrica invertida: g_ij responde a distribución de masa (información)
 * - Acoplamiento: dρ_memory/dt = -i[H, ρ] + {Lindblad con η(θ)}
 */

#include <stdint.h>

extern "C" {
    void memory_init(void);
    void memory_timestep(uint32_t global_time);
}

/* Local definitions to avoid host headers */
#define M_PI 3.14159265358979323846

extern "C" void* memset(void* dest, int ch, uint32_t count) {
    uint8_t* ptr = (uint8_t*)dest;
    while (count--) *ptr++ = (uint8_t)ch;
    return dest;
}

/* Math approximations for bare-metal metriplectic dynamics */
static double fabs(double x) { return x < 0 ? -x : x; }

static double sin(double x) {
    // Bhaskara I approximation
    double x_deg = x * 180.0 / M_PI;
    while (x_deg > 180) x_deg -= 360;
    while (x_deg < -180) x_deg += 360;
    
    int sign = 1;
    if (x_deg < 0) { sign = -1; x_deg = -x_deg; }
    if (x_deg > 180) { sign = -sign; x_deg -= 180; }
    
    return sign * (4.0 * x_deg * (180.0 - x_deg)) / (40500.0 - x_deg * (180.0 - x_deg));
}

static double cos(double x) {
    return sin(x + M_PI / 2.0);
}

static double exp(double x) {
    // Simple Taylor approximation for small x
    double sum = 1.0;
    double term = 1.0;
    for (int i = 1; i < 10; i++) {
        term *= x / i;
        sum += term;
    }
    return sum;
}

// ============================================================
// CONSTANTES FÍSICAS
// ============================================================

#define PHI 1.61803398875           // Razón áurea (Regla 2.1)

#define THERMAL_BATH_TEMP 300.0     // Temperatura baño (unidades arbitrarias)
#define VISCOSITY_BASE 0.1          // η₀ (viscosidad basal)
#define MAX_MEMORY_PAGES 256        // Max páginas: 256 × 4KB = 1MB
#define PAGE_SIZE 4096              // Tamaño de página
#define MEMORY_BASE 0x100000        // 1MB físicos disponibles

// Estados de una página metriplética
typedef enum {
    MEM_EMPTY = 0,      // θ = 0 (polo norte, máxima localización)
    MEM_ALLOCATED = 1,  // θ ∈ (0, π) (transición)
    MEM_THERMAL = 2,    // θ ≈ π (equador, máxima entropía)
    MEM_EVAPORATING = 3 // θ ∈ (π, 2π) (radiación Hawking)
} MemoryState;

// ============================================================
// ESTRUCTURA: Página de memoria metriplética
// ============================================================

typedef struct {
    uint32_t address;           // Dirección física
    uint32_t size;              // Bytes asignados
    double theta;               // Ángulo en esfera de Bloch [0, 2π]
    double O_n;                 // Operador cuasiperiódico en esta página
    MemoryState state;          // Estado termodinámico
    double entropy;             // Entropía local S_BH = (Area/4)
    double thermal_viscosity;   // η(θ) acoplada al baño
    uint32_t allocation_time;   // Timestamp asignación
    double L_symp;              // Componente conservativa (Regla 3.1)
    double L_metr;              // Componente disipativa (Regla 3.1)
} MetripleticPage;


// ============================================================
// ESTRUCTURA: Gestor de memoria global
// ============================================================

typedef struct {
    MetripleticPage pages[MAX_MEMORY_PAGES];
    uint32_t total_pages;
    uint32_t allocated_pages;
    
    // Observables del plasma
    double centroid_x;          // x̄ (componente X del centroide)
    double centroid_y;          // ȳ (componente Y del centroide)
    double centroid_z;          // z̄ (componente Z del centroide - CRITICIDAD)
    
    // Parámetros de control
    double global_theta;        // Ángulo promedio del sistema
    double total_entropy;       // Entropía acumulada
    double total_viscosity;     // Viscosidad media
    
    // Métricas invertidas
    double metric_determinant;  // det(g_ij) ≈ responde a distribución
    double curvature;           // Curvatura de Ricci (geometría responde a masa)
    
} MemoryManager;

static MemoryManager memmgr = {0};

// ============================================================
// PASO 1: Centroide Z-Finch (Plasma mean field)
// ============================================================

double compute_centroid_z(void) {
    /*
     * z̄ = (1/A) ∫∫ θ(x,y) dA  sobre todas las páginas
     * 
     * Interpretación física:
     * - z̄ ≈ 0 → memoria confinada (polo norte, baja temperatura)
     * - z̄ ≈ 1 → memoria en equilibrio (ecuador)
     * - z̄ ≈ 2π → evaporación completa (polo sur)
     */
    
    double sum_theta = 0.0;
    uint32_t count = 0;
    
    for (uint32_t i = 0; i < memmgr.total_pages; i++) {
        if (memmgr.pages[i].state != MEM_EMPTY) {
            sum_theta += memmgr.pages[i].theta;
            count++;
        }
    }
    
    if (count == 0) return 0.0;
    
    double z_finch = sum_theta / count;
    
    // Normalizar a [0, 1] para interpretación hologr
    return z_finch / (2.0 * M_PI);
}

// ============================================================
// PASO 2: Viscosidad del baño térmico (escala múltiple)
// ============================================================

double compute_thermal_viscosity(double theta) {
    /*
     * η(θ) = η₀ · exp(θ / T_thermal)
     * 
     * - θ pequeño: viscosidad baja (sistema cuántico coherente)
     * - θ → π: viscosidad máxima (región de máximo acoplamiento)
     * - θ → 2π: viscosidad decae (información "escapa")
     * 
     * Efecto multisca:
     * η_total = η₀ · [1 + β · sin(π·θ/(2π))]
     */
    
    double base_visc = VISCOSITY_BASE * exp(theta / THERMAL_BATH_TEMP);
    double oscillation = sin(M_PI * theta / (2.0 * M_PI));
    
    return base_visc * (1.0 + 0.5 * oscillation);
}

// ============================================================
// PASO 3: Operador cuasiperiódico por página
// ============================================================

double compute_O_n_for_page(uint32_t page_idx) {
    /*
     * Ô_n = cos(π n) · cos(π φ n) (Regla 2.1)
     * donde n = page_idx + 1
     */
    double n = (double)page_idx + 1.0;
    return cos(M_PI * n) * cos(M_PI * PHI * n);
}


// ============================================================
// PASO 4: Proyección dimensional (estado de la página)
// ============================================================

MemoryState project_memory_state(double O_n, double theta) {
    /*
     * Mapear (O_n, θ) → estado metripléctico
     * 
     * Regla:
     * - Si |O_n| < 0.5 Y θ < π/4 → MEM_EMPTY (sin usar)
     * - Si |O_n| ∈ [0.5, 1.5] Y θ ∈ [π/4, 3π/4] → MEM_ALLOCATED (en uso)
     * - Si |O_n| > 1.5 Y θ ∈ [3π/4, 5π/4] → MEM_THERMAL (saturada)
     * - Si θ > 5π/4 → MEM_EVAPORATING (liberándose)
     */
    
    if (theta > 5.0 * M_PI / 4.0) {
        return MEM_EVAPORATING;
    } else if (theta > 3.0 * M_PI / 4.0 && fabs(O_n) > 1.5) {
        return MEM_THERMAL;
    } else if (theta > M_PI / 4.0 && fabs(O_n) > 0.5) {
        return MEM_ALLOCATED;
    } else {
        return MEM_EMPTY;
    }
}

// ============================================================
// PASO 5: Métrica invertida (geometría responde a información)
// ============================================================

void update_inverted_geometry(void) {
    /*
     * Métrica de flujo laminar inverso:
     * g_ij = δ_ij · [1 + λ · ρ(x,y)]
     * 
     * donde ρ(x,y) = densidad de información (normalizada)
     * 
     * Interpretación:
     * - Donde hay mucha información acumulada (ρ alto),
     *   la métrica se "contrae" (g_ij crece)
     * - El espacio se deforma según la distribución
     * - Determinante: det(g_ij) ≈ evolución de la topología
     */
    
    double rho_total = 0.0;
    
    for (uint32_t i = 0; i < memmgr.allocated_pages; i++) {
        // ρ(página) = (tamaño / PAGE_SIZE) × (1 + sin(θ))
        double rho = (memmgr.pages[i].size / (double)PAGE_SIZE) * 
                     (1.0 + sin(memmgr.pages[i].theta));
        rho_total += rho;
    }
    
    // Normalizar
    double rho_mean = memmgr.allocated_pages > 0 ? 
                      rho_total / memmgr.allocated_pages : 0.0;
    
    // Determinante métrico
    double lambda = 0.1; // Acoplamiento métrica-información
    memmgr.metric_determinant = 1.0 + lambda * rho_mean;
    
    // Curvatura de Ricci (aproximación)
    memmgr.curvature = (memmgr.metric_determinant - 1.0) / 
                       (memmgr.allocated_pages > 0 ? memmgr.allocated_pages : 1);
}

// ============================================================
// PASO 6: Lagrangiano Explícito (Regla 3.1)
// ============================================================

void compute_lagrangian(uint32_t page_idx, double *L_symp, double *L_metr) {
    MetripleticPage *page = &memmgr.pages[page_idx];
    
    // L_symp: Dinámica Hamiltoniana (reversible)
    // dθ_Ham/dt = (π/2) · sin(2θ) · O_n / N
    *L_symp = (M_PI / 2.0) * sin(2.0 * page->theta) * 
              page->O_n / (memmgr.total_pages + 1);
    
    // L_metr: Dinámica Disipativa (irreversible)
    // dθ_Diss/dt = η(θ) · (θ_eq - θ)
    double eta = compute_thermal_viscosity(page->theta);
    double theta_eq = M_PI;
    *L_metr = eta * (theta_eq - page->theta) * 0.01;
}

// ============================================================
// PASO 7: Dinámica metriplética de la página
// ============================================================


void metripletic_page_evolution(uint32_t page_idx, uint32_t timestep) {
    /*
     * dθ/dt = {θ, H} + (θ, S)
     *         -------    -------
     *      Hamiltoniana  Disipación
     * 
     * Parte reversible: rotación en esfera de Bloch
     * dθ_Ham/dt = (π/2) · sin(2θ) · O_n / N
     * 
     * Parte disipativa: acoplamiento al baño térmico
     * dθ_Diss/dt = η(θ) · (θ - θ_thermal_eq)
     */
    
    MetripleticPage *page = &memmgr.pages[page_idx];
    
    // Operador actualizado
    page->O_n = compute_O_n_for_page(page_idx);
    
    // Calcular Lagrangianos explícitos (Regla 3.1)
    compute_lagrangian(page_idx, &page->L_symp, &page->L_metr);
    
    // Evolución total: dθ/dt = L_symp + L_metr
    page->theta += page->L_symp + page->L_metr;

    
    // Mantener en [0, 2π]
    if (page->theta < 0.0) page->theta += 2.0 * M_PI;
    if (page->theta > 2.0 * M_PI) page->theta -= 2.0 * M_PI;
    
    // Actualizar estado
    page->state = project_memory_state(page->O_n, page->theta);
    
    // Entropía de Bekenstein-Hawking (área ~θ)
    page->entropy = (fabs(sin(page->theta)) + 0.1) / 4.0;
    
    // Viscosidad local
    page->thermal_viscosity = compute_thermal_viscosity(page->theta);
}


// ============================================================
// API PÚBLICA: Asignar memoria
// ============================================================

extern "C" {
    uint32_t memory_allocate(uint32_t size) {

    /*
     * Buscar página libre (EMPTY) con θ mínima
     * Asignar en modo MEM_ALLOCATED
     * Retornar dirección física
     */
    
    if (memmgr.allocated_pages >= MAX_MEMORY_PAGES) {
        return 0; // Error: sin memoria
    }
    
    // Búsqueda de página óptima (menor theta = menos acoplamiento)
    uint32_t best_idx = 0;
    double min_theta = 2.0 * M_PI + 1.0;
    
    for (uint32_t i = 0; i < memmgr.total_pages; i++) {
        if (memmgr.pages[i].state == MEM_EMPTY && 
            memmgr.pages[i].theta < min_theta) {
            best_idx = i;
            min_theta = memmgr.pages[i].theta;
        }
    }
    
    // Inicializar página
memmgr.pages[best_idx].address = MEMORY_BASE + (best_idx * PAGE_SIZE);
memmgr.pages[best_idx].size = (size > PAGE_SIZE) ? PAGE_SIZE : size;
memmgr.pages[best_idx].theta = 0.01; // Pequeña perturbación para romper simetría (Regla 1.3)
memmgr.pages[best_idx].O_n = compute_O_n_for_page(best_idx);
memmgr.pages[best_idx].state = MEM_ALLOCATED;
memmgr.pages[best_idx].allocation_time = 0;

    
    memmgr.allocated_pages++;
    
    return memmgr.pages[best_idx].address;
    }
}


// ============================================================
// API PÚBLICA: Liberar memoria
// ============================================================

extern "C" {
    void memory_free(uint32_t address) {

    /*
     * Buscar página con dirección
     * Establecer state = MEM_EVAPORATING
     * Permitir que se evapore gradualmente (θ → 2π)
     * Marcar EMPTY solo cuando θ > 2π - ε
     */
    
    for (uint32_t i = 0; i < memmgr.total_pages; i++) {
        if (memmgr.pages[i].address == address) {
            memmgr.pages[i].state = MEM_EVAPORATING;
            return;
        }
    }
    }
}


// ============================================================
// API PÚBLICA: Paso temporal del sistema
// ============================================================

extern "C" {
    void memory_timestep(uint32_t global_time) {

    /*
     * Evolucionar TODAS las páginas metriplécticametne
     * Actualizar centroides
     * Actualizar geometría invertida
     * Chequear evaporación
     */
    
    // Evolucionar cada página
    for (uint32_t i = 0; i < memmgr.total_pages; i++) {
        if (memmgr.pages[i].state != MEM_EMPTY) {
            metripletic_page_evolution(i, global_time);
        }
        
        // Chequear evaporación completa
        if (memmgr.pages[i].state == MEM_EVAPORATING && 
            memmgr.pages[i].theta > 2.0 * M_PI - 0.1) {
            memmgr.pages[i].state = MEM_EMPTY;
            memmgr.pages[i].theta = 0.0;
            memmgr.allocated_pages--;
        }
    }
    
    // Actualizar observables globales
    memmgr.centroid_z = compute_centroid_z();
    memmgr.global_theta = 0.0;
    memmgr.total_entropy = 0.0;
    memmgr.total_viscosity = 0.0;
    
    for (uint32_t i = 0; i < memmgr.total_pages; i++) {
        if (memmgr.pages[i].state != MEM_EMPTY) {
            memmgr.global_theta += memmgr.pages[i].theta;
            memmgr.total_entropy += memmgr.pages[i].entropy;
            memmgr.total_viscosity += memmgr.pages[i].thermal_viscosity;
        }
    }
    
    if (memmgr.allocated_pages > 0) {
        memmgr.global_theta /= memmgr.allocated_pages;
        memmgr.total_viscosity /= memmgr.allocated_pages;
    }
    
    // Actualizar métrica invertida
    update_inverted_geometry();
    }
}


// ============================================================
// DIAGNÓSTICO: Mostrar estado de memoria
// ============================================================

void memory_print_diagnostics(void) {
    // Salida serial/VGA sobre estado metriplético
    // (Implementación en drivers/vga_holographic)
}

// ============================================================
// API PARA BRIDGE (C)
// ============================================================

extern "C" {
    void check_thermal_page_impl(uint32_t address, double threshold, double *out_entropy, int *out_critical) {
        for (uint32_t i = 0; i < memmgr.total_pages; i++) {
            if (memmgr.pages[i].address == address) {
                *out_entropy = memmgr.pages[i].theta / (2.0 * M_PI); // Entropía normalizada [0, 1]
                *out_critical = (memmgr.pages[i].theta > threshold * 2.0 * M_PI);
                return;
            }
        }
        *out_entropy = 0.0;
        *out_critical = 0;
    }
}
// ============================================================
// BRIDGE C: Funciones para el kernel C
// ============================================================

extern "C" {
    uint32_t memory_get_used_pages(void) {
        return memmgr.allocated_pages;
    }

    uint32_t memory_get_total_pages(void) {
        return memmgr.total_pages;
    }

    double memory_get_centroid_z(void) {
        return memmgr.centroid_z;
    }

    double memory_get_total_entropy(void) {
        return memmgr.total_entropy;
    }

    int memory_get_page_stats(uint32_t idx, uint32_t *addr, double *theta, int *state) {
        if (idx >= memmgr.total_pages) return 0;
        *addr = memmgr.pages[idx].address;
        *theta = memmgr.pages[idx].theta;
        *state = (int)memmgr.pages[idx].state;
        return 1;
    }

    void memory_get_lagrangian(uint32_t page_idx, double *L_symp, double *L_metr) {
        if (page_idx < memmgr.total_pages) {
            *L_symp = memmgr.pages[page_idx].L_symp;
            *L_metr = memmgr.pages[page_idx].L_metr;
        } else {
            *L_symp = 0.0;
            *L_metr = 0.0;
        }
    }

    double memory_get_page_theta(uint32_t idx) {
        if (idx < memmgr.total_pages) return memmgr.pages[idx].theta;
        return -1.0;
    }

    double memory_get_page_on(uint32_t idx) {
        if (idx < memmgr.total_pages) return memmgr.pages[idx].O_n;
        return 0.0;
    }
}



// ============================================================
// INICIALIZACIÓN
// ============================================================

extern "C" {
    void memory_init(void) {

    memset(&memmgr, 0, sizeof(MemoryManager));
    memmgr.total_pages = MAX_MEMORY_PAGES;
    memmgr.allocated_pages = 0;
    
    // Inicializar páginas en estado vacío (polo norte)
    for (uint32_t i = 0; i < MAX_MEMORY_PAGES; i++) {
        memmgr.pages[i].address = MEMORY_BASE + (i * PAGE_SIZE);
        memmgr.pages[i].theta = 0.0;
        memmgr.pages[i].state = MEM_EMPTY;
        memmgr.pages[i].O_n = 0.0;
    }
    }
}