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2、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器甚至工廠操作的裝置等大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)備。國(guó)內(nèi)的一般定義為:以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟硬件可裁減,從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī)。實(shí)際上,嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。因?yàn)槠湟褲B透到各個(gè)領(lǐng)域,在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。手持MP3是否可以稱為嵌入式系統(tǒng)?微型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是嵌入式系統(tǒng)嗎?工業(yè)控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域。我們發(fā)現(xiàn),除了其中都嵌入有微處理器,二者幾乎完全不同。使用嵌入式技術(shù)的有:機(jī)頂盒、火星車、PDA移動(dòng)電話、打印機(jī)、可視電話、機(jī)器人
3、等等。在制造工業(yè)、過(guò)程控制、通信、儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面,嵌入式系統(tǒng)都有用武之地。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體,它可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。嵌入式系統(tǒng)的組成2 、嵌入式系統(tǒng)的組成:4大主要部分。A. 嵌入式處理器:核心部件。與通用處理器的最大不同點(diǎn)在于其大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。它通常把通用計(jì)算機(jī)中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部,從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化,并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件廠商都會(huì)推出自己的嵌入式處理器,現(xiàn)在有1000多種嵌入式處理器芯片:ARMMIPS、PowerPGMC6800冷。嵌入式系統(tǒng)的組成B. 外圍設(shè)備:除
4、了嵌入式處理器以外用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其它部件。根據(jù)功能可分為3大類:存儲(chǔ)器:RAM/SRAMDRAMFLASH。接口:并口、串口、紅外接口、SPI串行外圍設(shè)備接口、I2C總線接口、USB通用串行總線接口、以太網(wǎng)口等。人機(jī)交互:LCD鍵盤(pán)、觸摸屏等人機(jī)交互設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的組成C. 嵌入式操作系統(tǒng)在大型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中,為了使嵌入式開(kāi)發(fā)更方便、快捷,需要具備一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合,用于管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng),以及提供多任務(wù)處理等,即嵌入式操作系統(tǒng)。大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能,方便了應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì),但同時(shí)也占用了寶貴的嵌入式系統(tǒng)資源。一般在大
5、型或需要多任務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)合才考慮使用嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)常常有實(shí)時(shí)要求,所以,它又往往是“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”(RTOS)。嵌入式系統(tǒng)的組成D. 應(yīng)用軟件:是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵,對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也與通用計(jì)算機(jī)有所不同。特點(diǎn):軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性。軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。減少程序二進(jìn)制代碼的長(zhǎng)度,提高執(zhí)行速度。系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。任務(wù)調(diào)度由優(yōu)化編寫(xiě)的系統(tǒng)軟件來(lái)完成。多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為嵌入式應(yīng)用軟件的必需。嵌入式系統(tǒng)的組成硬件和軟件的基本組成電源模塊時(shí)鐘復(fù)位外圍電路微處理器Flash應(yīng)用程序操作系統(tǒng)輸入輸出軟件結(jié)構(gòu)MPURAMRO
6、M處理器外設(shè)USBLCD鍵盤(pán)其他存儲(chǔ)器硬件結(jié)構(gòu)硬件軟件3 、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)軟硬件一體化,集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)為一體。需要操作系統(tǒng)支持,代碼小,執(zhí)行速度快。專用緊湊,用途固定,成本敏感。可靠性要求高。多樣性,應(yīng)用廣泛,種類繁多。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的,它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力,才會(huì)有優(yōu)勢(shì)。它必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁減,滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、成本、體積等要求。4 、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用主要用于各種信號(hào)處理與控制,目前已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。-軍用:各種武器控制。家用:各種信息家電產(chǎn)品。工業(yè):各種智能儀表、機(jī)器人、電子設(shè)備等。商用:收款機(jī)、POS系統(tǒng)、電
7、子秤等。辦公用:復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等。醫(yī)用電子設(shè)備:各種醫(yī)療電子儀器。個(gè)人數(shù)字處理PDA:IPAQ、PocketPC機(jī)頂盒STB人機(jī)交互設(shè)備。IP電話嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用正從狹窄的應(yīng)用范圍,單一的應(yīng)用對(duì)象以及簡(jiǎn)單的功能,向著未來(lái)社會(huì)需要的應(yīng)用需求進(jìn)行轉(zhuǎn)變。目前,最熱門的幾種應(yīng)用:5 、實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RealTimeSystem)是指產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要的系統(tǒng)。從輸入到輸出的滯后之間必須足夠小到一個(gè)可以接受的時(shí)限內(nèi)。是一個(gè)能夠在指定或者確定時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能以及對(duì)外部或內(nèi)部事件在同步或異步時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)的系統(tǒng)。應(yīng)具備的幾個(gè)重要特性:- 實(shí)時(shí)性、并行性、多路性、獨(dú)立性、可預(yù)測(cè)性、可靠性。通過(guò)3個(gè)指
8、標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性:- 響應(yīng)時(shí)間、生存時(shí)間、吞吐量。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間可分為3種類型:- 強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)、弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)、一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)。根據(jù)確定性可分為:- 硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)。二、嵌入式處理器1 .嵌入式處理器的分類:低端的微控制器(MicroControllerUnit,MCU)中高端的嵌入式微處理器(EmbeddedMicroProcessorUnit,EMPU)通信領(lǐng)域的DSP處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)高度集成的片上系統(tǒng)(SystemonChip,SoC)嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心,是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元?,F(xiàn)在速度越來(lái)越快,性能越來(lái)越強(qiáng),價(jià)格也越來(lái)越低。
9、2 、嵌入式微處理器(EMPU)是由通用計(jì)算機(jī)的CPU寅變而來(lái)的。與之不同的是,在實(shí)際嵌入應(yīng)用中,只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件,去除其他冗余部分,配上必要的外圍電路,可以最低功耗和資源滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求。在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面作了各種增強(qiáng)。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比,嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前的主要類型有:ARM、MIPS、Am186/88、386EX、PowerPC、6800等。EMPU的主要特點(diǎn):嵌入式處理器在設(shè)計(jì)中考慮低功耗。許多EMPU供幾種工作模式,如正常工作模式、備用模式、省電模式。采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。一般在內(nèi)部都留有很
10、多擴(kuò)展接口,以方便對(duì)應(yīng)用的擴(kuò)展。具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。軟件結(jié)構(gòu)已模塊化。提供豐富的調(diào)試功能。很多開(kāi)發(fā)都是在交叉調(diào)試中進(jìn)行,豐富的調(diào)試接口更便于對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力。內(nèi)部具有精確的震蕩電路、豐富的定時(shí)器資源,從而有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。3 、微控制器(MCU)俗稱單片機(jī)。將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成Flash、RAM總線邏輯、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、A/D、D/A、脈寬調(diào)制輸出等各種必要的功能模塊和外圍部件。單片化,體積大大減小,從而使功耗和成本下降,可靠性提高。MCIM目前嵌入式系統(tǒng)的主流,占
11、嵌入式系統(tǒng)70%右的份額。8051系列已經(jīng)成為有眾多廠商支持的、發(fā)展出上百個(gè)品種的大家族。4 、DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),使其適合執(zhí)行DSP算法,編譯效率和指令執(zhí)行速度都較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面,DSP算法正在引入嵌入式領(lǐng)域。DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能,過(guò)渡到采用DSP處理器。兩個(gè)發(fā)展來(lái)源:-DSP處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)單片化、電磁兼容改造以及增加片上外設(shè),成為DSP處理器。(TI公司的TMS系列)。-在通用單片機(jī)或SoC上增加DSPB處理器。(Intel的MCS-296等)。代表性產(chǎn)品:-TI的TMS320系歹U、ADI的ADSP21XX1列、
12、移動(dòng)通信的C5000系列、Motorola的DSP5600系列。DSP處理器已得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用,特別在運(yùn)算量較大的智能化系統(tǒng)中。5 、片上系統(tǒng)(SoC)隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及,以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展,在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。將整個(gè)嵌入式系統(tǒng)集成到一塊芯片中,應(yīng)用系統(tǒng)的電路板變得簡(jiǎn)潔,減少體積和功耗,提高了可靠性。SoC的優(yōu)點(diǎn):-通過(guò)改變內(nèi)部工作電壓,降低芯片功耗。-減少芯片對(duì)外的引腳數(shù),簡(jiǎn)化制造過(guò)程。-減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板之間的信號(hào)傳遞,加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。-內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號(hào)傳遞時(shí)所造成的系統(tǒng)雜訊。SoC是嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最高
13、形式,而SoC的核心技術(shù)是IP核(IntellectualPropertyCore,知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)。-IP核分為硬核、軟核和固核,是嵌入式技術(shù)的重要支持技術(shù)。通過(guò)把不同的IP模塊嵌在一個(gè)硅片上,形成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。-IP技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了SoC的設(shè)計(jì)過(guò)程,縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間,因此,已經(jīng)成為目前電子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的重要的基本技術(shù)。6 、典型的嵌入式處理器1 .ARM處理器ARM(AdvancedRISCMachines)公司是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商。它通過(guò)將其高性能、低成本、低功耗的RISC微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給合作伙伴來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM公司已成為移動(dòng)
14、通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費(fèi)嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。ARM處理器有3大特點(diǎn):小體積、低功耗、低成本而高性能。16/32位雙指令集。全球眾多的合作伙伴。ARM處理器分ARM7ARM9ARM9EARM10ARM1侏口SecureCore系歹U。ARM7是低功耗的32位核,最適合應(yīng)用于對(duì)價(jià)位和功耗敏感的產(chǎn)品。-ARM7TDMIARM7TDMI-S適用于實(shí)時(shí)環(huán)境。-ARM720T適用于開(kāi)放平臺(tái)。-ARM7EJ適用于DSP運(yùn)算及支持Java。基于ARM核的產(chǎn)品:Intel:StrongARM和XScale系列。Motorola:龍珠系列i.MX處理器。TI:DSP+ARM處理器OMA吸C5470
15、等。CirrusLogic:EP7212、EP7312EP9312等。Samsung:S3C44B0S3c2400等。Atmel:AT91系歹U:AT91M40800等。Philips:LPC2014Netsilicon:NET+ARMTriscend:A7系列。2 .MIPS處理器(MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages)MIPS公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次嵌入式32/64位處理器廠商。在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS設(shè)計(jì)的RISC處理器始于1980s,其戰(zhàn)略已發(fā)生變化,重點(diǎn)已放在嵌入式系統(tǒng)。1999年,MIPS發(fā)布MIPS
16、32和MIPS64體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),為未來(lái)MIPS處理器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。MIPS公司推出了一套集成開(kāi)發(fā)工具-MIPSIDE,特別適合于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。MIPS定位很廣。高端和低端。-機(jī)頂盒、視頻游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)等。3 、PowerPC處理器PowerPC體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好,方便靈活。品種很多,既有通用處理器,又有微控制器和內(nèi)核。應(yīng)用范圍很廣,從高端到低端。典型的基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的處理器是舊M開(kāi)發(fā)的PowerPC405Gp它是一個(gè)集成10/100Mbps以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器等。4 、MC68K/Coldfire處理器5、x86處理器是最常用的,源于
17、Intel架構(gòu)的8080,發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium4、Athlon和AMDde6牧處理器Harmmer。486DXshi當(dāng)時(shí)與ARM、68K、MIPS、SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一。三、嵌入式操作系統(tǒng)1. 操作系統(tǒng)的概念和分類操作系統(tǒng)OS是一組計(jì)算機(jī)程序的集合,用來(lái)有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源,及合理地對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度,并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。從資源管理的角度,OS主要包含的功能:處理器管理。歸結(jié)為對(duì)進(jìn)程的管理,包括進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度。存儲(chǔ)器的管理。內(nèi)存分配、保護(hù)和擴(kuò)充、地址映射等。設(shè)備管理。緩沖管理、設(shè)備分配和處理等。文件管理。文件存儲(chǔ)空
18、間的管理、文件讀寫(xiě)和目錄管理。用戶接口。圖形用戶接口(GUI)等。按程序調(diào)度的方法來(lái)分:順序執(zhí)行系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)只含一個(gè)運(yùn)行程序。它獨(dú)占CPU時(shí)間,按語(yǔ)句順序執(zhí)行。DOS分時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可有多道程序運(yùn)行。支持多用戶。UNIX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)有多道程序運(yùn)行,每道程序各有不同的優(yōu)先級(jí),操作系統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序運(yùn)行。當(dāng)多個(gè)事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)按優(yōu)先級(jí)高低來(lái)確定哪道程序在此時(shí)此刻占有CPU,以保證優(yōu)先級(jí)高的事件、實(shí)時(shí)信息及時(shí)被采集。面向信息家電:高端和低端面向個(gè)人通信終端(手機(jī)、PDA、PocketPC)面向通信設(shè)備面向汽車電子和工業(yè)控制。嵌入式操作系統(tǒng)從應(yīng)用的角度來(lái)看,分為:從實(shí)時(shí)性的角度,
19、嵌入式操作系統(tǒng)可分為:強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)、弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)、沒(méi)有實(shí)時(shí)特點(diǎn)。同步和異步實(shí)時(shí)系統(tǒng)中常用同步或異步來(lái)說(shuō)明事件發(fā)生的時(shí)序或任務(wù)執(zhí)行的順序關(guān)系。-同步:用于事件1停止而引起事件2的發(fā)生,或者必須有事件2發(fā)生,事件3才能發(fā)生,如此類推,這一系列事件相關(guān)事件成為同步事件。由同步事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)稱為同步任務(wù)。-異步:異步事件是指隨機(jī)發(fā)生的事件。異步事件發(fā)生的原因很復(fù)雜,又稱為隨機(jī)事件。由異步事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)稱為異步任務(wù)。中斷任務(wù)就是異步任務(wù),優(yōu)先級(jí)高于同步任務(wù)。2 、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是具有實(shí)時(shí)性且能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源來(lái)完成實(shí)時(shí)控制任務(wù),其次才著眼于提高計(jì)算機(jī)
20、系統(tǒng)的使用效率。其重要特點(diǎn)是能滿足對(duì)時(shí)間的要求。RTOS與通用af算機(jī)OS的區(qū)別:實(shí)時(shí)性。相應(yīng)速度快,只有幾微秒;執(zhí)行時(shí)間確定,可預(yù)測(cè)。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)較難。需要專用開(kāi)發(fā)工具:仿真器、編譯器和調(diào)試器等。RTOS經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,先后從實(shí)模式進(jìn)化到保護(hù)模式,從微內(nèi)核技術(shù)進(jìn)化到超微內(nèi)核技術(shù);在系統(tǒng)規(guī)模上從單處理器的RTOS發(fā)展到支持多處理器的RTOS和網(wǎng)絡(luò)RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的組成RTOS是能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁減和重配置的操作系統(tǒng)。分為以下幾個(gè)部分:實(shí)時(shí)內(nèi)核。一般是多任務(wù)的。主要實(shí)現(xiàn)各種管理功能。網(wǎng)絡(luò)組件。實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它本身是可裁減的,目的是盡可能少地占用系統(tǒng)資源。文件系統(tǒng)。也是
21、可裁減的。用戶圖形界面(GUI)。為用戶提供文字和圖形以及中英文的顯示和輸入。可裁減。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)RTOS和一般的OS有一定的差異。IEEE的Unix委員會(huì)規(guī)定了RTO%須具備:支持異步事件。具有中斷和異步處理的能力。中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先機(jī)制。區(qū)分用戶的中斷以及調(diào)度任務(wù)的輕重緩急。支持搶占式調(diào)度。保證高優(yōu)先級(jí)的中斷或任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。確定的任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間。是區(qū)別于普通OS的一個(gè)重要標(biāo)志,是衡量RTOSB勺實(shí)時(shí)性的重要標(biāo)準(zhǔn)。支持同步。提供同步和協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)的使用。RTOS這些突出特點(diǎn)表明,通常所用的OS是沒(méi)有實(shí)時(shí)性能的。3 、常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡(jiǎn)單走向成熟,占據(jù)了機(jī)頂盒、PDA等的絕大部分市場(chǎng)。一般商用嵌入式OS都采用計(jì)費(fèi)許可證,采用它的好處是能得到較好的技術(shù)支持。1.2.3.4.5.6.7.8.9.VxWorks。目前使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高Uc/OS。WindowsCE。微軟公司產(chǎn)品嵌入式Linux。代表產(chǎn)品:RT-LinuxPalmOS。3Com產(chǎn)品,掌上電腦和PDAQNXDeltaOS。全中文嵌入式OSHopenOS凱思集團(tuán)自主研發(fā)
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