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數(shù)制與邏輯代數(shù)數(shù)字化時(shí)代概述自然界的物理量:模擬量:其變化在時(shí)間上和數(shù)量上都是連續(xù)的。數(shù)字量:其變化在時(shí)間上和數(shù)量上都是不連續(xù)的。電子電路中的電信號(hào)可分為:

模擬信號(hào):連續(xù)變化的電壓和電流

數(shù)字信號(hào):離散的電壓值(高、低電平)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸、處理的電子電路什么是數(shù)字電路?

數(shù)字電路的應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng):主板、內(nèi)存、硬盤(pán)、顯卡……消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品:手機(jī)、電子表、MP3\4……通訊產(chǎn)品:路由器、交換機(jī)……數(shù)字電路的特點(diǎn)以邏輯代數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ),適合工作在存儲(chǔ)、控制、決策等系統(tǒng)中系統(tǒng)可靠性高、精度高集成度高、體積小、功耗低第8章數(shù)制與邏輯代數(shù)數(shù)制與碼制1邏輯代數(shù)2邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)31.進(jìn)位計(jì)數(shù)制的含義:

在表示數(shù)時(shí),僅用一位數(shù)碼往往不夠用,必須用進(jìn)位計(jì)數(shù)的方法組成多位數(shù)碼。多位數(shù)碼每一位的構(gòu)成以及從低位到高位的進(jìn)位規(guī)則稱(chēng)為進(jìn)位計(jì)數(shù)制,簡(jiǎn)稱(chēng)進(jìn)位制。2.常用數(shù)制:十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)制也叫記數(shù)法,是人們用一組規(guī)定的符號(hào)和規(guī)則來(lái)表示數(shù)的方法。8.1.1數(shù)制十進(jìn)制公元3世紀(jì),古印度的一位科學(xué)家巴格達(dá)發(fā)明了阿拉伯?dāng)?shù)字。一、十進(jìn)制數(shù)碼構(gòu)成為:0~9;運(yùn)算規(guī)律:逢十進(jìn)一,即:9+1=10十進(jìn)制數(shù)的權(quán)展開(kāi)式:456.74×102=4005×101=506×100=6

7×10-1=0.

7

=4

56.7同樣的數(shù)碼在不同的數(shù)位上代表的數(shù)值不同,這個(gè)數(shù)值稱(chēng)為位權(quán)。+任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)都可以表示為各個(gè)數(shù)位上的數(shù)碼與其對(duì)應(yīng)的權(quán)的乘積之和,稱(chēng)權(quán)展開(kāi)式。又如:(209.04)10=2×102

+0×101+9×100+0×10-1+4×10-2◆一般表達(dá)式位權(quán)數(shù)碼

在數(shù)字電路中,計(jì)數(shù)的基本思想是要把電路的狀態(tài)與數(shù)碼一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。顯然,采用十進(jìn)制是十分不方便的。它需要十種電路狀態(tài),要想嚴(yán)格區(qū)分這十種狀態(tài)是很困難的。十進(jìn)制二進(jìn)制18世紀(jì)德國(guó)數(shù)理哲學(xué)大師萊布尼茲發(fā)明二進(jìn)制。二進(jìn)制是計(jì)算技術(shù)中廣泛采用的一種數(shù)制。二進(jìn)制數(shù)據(jù)是用0和1兩個(gè)數(shù)碼來(lái)表示的數(shù)。數(shù)碼構(gòu)成:0、1;運(yùn)算規(guī)律:逢二進(jìn)一,即:1+1=10。二進(jìn)制數(shù)的權(quán)展開(kāi)式:例如(101.01)2=1×22

+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2

=(5.25)10各數(shù)位的權(quán)是2的冪二、二進(jìn)制◆一般表達(dá)式

1、易于電路實(shí)現(xiàn)---每一位數(shù)只有兩個(gè)值,可以用管子的導(dǎo)通或截止,燈泡的亮或滅、繼電器觸點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)來(lái)表示。

2、基本運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn):二進(jìn)制的缺點(diǎn):

位數(shù)太多,不符合人的習(xí)慣,不能在頭腦中立即反映出數(shù)值的大小,一般要將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后,才能反映。二進(jìn)制的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)碼為:0-9,A(10),B(11),C(12),D(13),E(14),F(15)

;運(yùn)算規(guī)律:逢十六進(jìn)一,即:F+1=10。十六進(jìn)制數(shù)的權(quán)展開(kāi)式:例如(D8.A)16=13×161

+8×160+10×16-1=(216.625)10各數(shù)位的權(quán)是16的冪◆一般表達(dá)式三、十六進(jìn)制

十六進(jìn)制在數(shù)字電路中,尤其在計(jì)算機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用

1、與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換容易;

2、計(jì)數(shù)容量較其它進(jìn)制都大。假如同樣采用四位數(shù)碼,二進(jìn)制最多可計(jì)至11112=1510;十進(jìn)制可計(jì)至999910;十六進(jìn)制可計(jì)至FFFF16=6553510,即64K。其容量最大。

3、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,大量的寄存器、計(jì)數(shù)器等往往按四位一組排列。故使十六進(jìn)制的使用獨(dú)具優(yōu)越性。十六進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn):十六進(jìn)制常用數(shù)制的書(shū)寫(xiě)規(guī)則(1)括號(hào)外面加下標(biāo)例如,(10011)2、(237)8、(8079)10和(45ABF)16分別表示二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。(2)字母后綴二進(jìn)制數(shù)用B(Binary)表示。十進(jìn)制數(shù)用D(Decimal)表示。D一般可以省略。十六進(jìn)制數(shù)用H(Hexadecimal)表示。例如,10011B、237O、8079和45ABFH分別表示二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。常用數(shù)制間的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制方法:按權(quán)展開(kāi)并求和(100110.101)2=1×25+0×24+0×23+1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=(38.625)10(1)把二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)為十進(jìn)制(2)十進(jìn)制轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制整數(shù)部分:除以2取余數(shù),直到商為0,余數(shù)從下到上排列,首次取得的余數(shù)排在最右.小數(shù)部分:將小數(shù)部分乘以2取整數(shù),直到小數(shù)部分為0或達(dá)到要求的精度為止,整數(shù)從上到下排列,首次取得的整數(shù)排在最左.例1(100.345)10=(1100100.01011)2100250225212262321000100110.3451.38020.69022

0.7602

1.5202

1.04最低↑∣∣∣最高↑∣∣∣最高最低例2(100)10=(64)1610016604616十六進(jìn)制11

0110

1110.1101

01=(36E.D4)1636ED4二進(jìn)制轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制整數(shù)部分:從右向左按四位進(jìn)行分組小數(shù)部分:從左向右按四位進(jìn)行分組不足補(bǔ)零下列各數(shù)中,最大的一個(gè)數(shù)是?A(11011001)2

B(75)10

C(A7)16思考題下列各數(shù)中,最大的一個(gè)數(shù)A.(11011001)2B.(75)10 C.(A7)16AA、(11011001)2=1×27+1×26+0×25+1×24+1×23+0×22+0×21+1×20=(217)10B、(75)10=(75)10C、(A7)16=10×161+7×160=(167)10答:數(shù)碼:代表一個(gè)確切的數(shù)字,如二進(jìn)制數(shù),八進(jìn)制數(shù)等。編碼:n位二進(jìn)制數(shù)可以組合成2n個(gè)不同的信息,給每個(gè)信息規(guī)定一個(gè)具體碼組,這種過(guò)程叫編碼。

8.1.2碼制1、BCD碼

BCD碼又稱(chēng)二~十進(jìn)制碼,通常用四位二進(jìn)制碼為一組,表示一位十進(jìn)制數(shù),只取十個(gè)狀態(tài),而且每組之間是“逢十進(jìn)一”。

8421BCD碼是按順序取四位二進(jìn)制碼中的前十種狀態(tài),即0000~1001,代表十進(jìn)制的0~9,而1010~1111棄之不用。

8421碼是一種有權(quán)碼,從高位到低位的權(quán)依次為8、4、2、1,按權(quán)相加,即可得到所代表的十進(jìn)制數(shù),如:例如:701111200010010例如:1001=0+4+2+0=60110=8+0+0+1=92、格雷碼(Gray)

格雷碼是一種無(wú)權(quán)碼。編碼特點(diǎn)是:任何兩個(gè)相鄰代碼之間僅有一位不同。十進(jìn)8421制數(shù)b3b2b1b0格雷碼G3G2G1G000000100012001030011401005010160110701118000910010000000100110010011001110101010011001000例如,8421碼中的0111和1000是相鄰碼,當(dāng)7變到8時(shí),四位均變了。若采用格雷碼,0100和1100是相鄰碼,僅最高一位變了。011111110011010101108.2邏輯代數(shù)一、邏輯代數(shù)及其表示方法

邏輯代數(shù)是英國(guó)數(shù)學(xué)家喬治.布爾(Geroge.Boole)于1847年首先進(jìn)行系統(tǒng)論述的,也稱(chēng)布爾代數(shù); 邏輯代數(shù)中的變量稱(chēng)為邏輯變量(邏輯自變量和邏輯因變量),用大寫(xiě)字母表示。邏輯變量的取值只有兩種,即邏輯0和邏輯1。0和1并不表示數(shù)值的大小,而是表示兩種對(duì)立的邏輯狀態(tài)。二、基本邏輯運(yùn)算1.與運(yùn)算(邏輯乘)(AND)只有決定事件結(jié)果的全部條件同時(shí)具備時(shí),結(jié)果才發(fā)生。ABY

ABY斷開(kāi)斷開(kāi)不亮斷開(kāi)閉合不亮閉合斷開(kāi)不亮閉合閉合燈亮與運(yùn)算功能表1表示開(kāi)關(guān)閉合,燈亮0表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi),燈不亮

ABY

000010100111與運(yùn)算真值表與運(yùn)算符,也有用“∧”、“∩”、“&”表示與運(yùn)算表達(dá)式

Y=A·B=AB與門(mén)邏輯符號(hào)&AYBYABAYB所謂真值表,就是將邏輯變量各種可能取值的組合及其相應(yīng)邏輯函數(shù)值列成的表格。2.或運(yùn)算(邏輯加)(OR)決定事件結(jié)果的諸條件中只要有任何一個(gè)滿足,結(jié)果就會(huì)發(fā)生。BYA

ABY斷開(kāi)斷開(kāi)不亮斷開(kāi)閉合燈亮閉合斷開(kāi)燈亮閉合閉合燈亮或運(yùn)算功能表1表示開(kāi)關(guān)閉合,燈亮0表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi),燈不亮或運(yùn)算符,也可用“∨”、“∪”表示

ABY

000011101111或運(yùn)算真值表或運(yùn)算表達(dá)式

Y=A+B或門(mén)邏輯符號(hào)≥1

ABYYAB

+

ABY3.非運(yùn)算(邏輯反)(NOT)只要條件具備了,結(jié)果就不會(huì)發(fā)生;而條件不具備時(shí),結(jié)果一定發(fā)生。AY

AY

斷開(kāi)燈亮閉合不亮非運(yùn)算功能表1表示開(kāi)關(guān)閉合,燈亮0表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi),燈不亮“-”非邏輯運(yùn)算符

AY

0110

非運(yùn)算真值表非運(yùn)算表達(dá)式

Y=A非門(mén)邏輯符號(hào)1AYYAAY一、二極管與門(mén)和或門(mén)電路1.與門(mén)電路基本邏輯門(mén)電路輸入輸出VA(V)VB(V)VL(V)0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011輸入0001輸出

與邏輯真值表與門(mén)在電路中的波形圖0101BLA0011輸入0001輸出

與邏輯真值表

2.或門(mén)電路輸入輸出VA(V)VB(V)VL(V)0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5V0101BLA0011輸入0111輸出

或邏輯真值表二、三極管非門(mén)電路輸入輸出VA(V)VL(V)0V5V5V0VLA01輸入10輸出非邏輯真值表與非門(mén)的復(fù)合三、復(fù)合門(mén)電路TTL邏輯門(mén)電路一、TTL與非門(mén)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理1.TTL與非門(mén)的基本結(jié)構(gòu)TTL與非門(mén)電路的基本結(jié)構(gòu)2.TTL與非門(mén)的邏輯關(guān)系(1)輸入全為高電平3.6V時(shí)。

T2、T3飽和導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)了與非門(mén)的邏輯功能之一:輸入全為高電平時(shí),輸出為低電平。由于T2飽和導(dǎo)通,VC2=1V。T4和二極管D都截止。由于T3飽和導(dǎo)通,輸出電壓為:

VO=VCES3≈0.3V該發(fā)射結(jié)導(dǎo)通,VB1=1V。T2、T3都截止。(2)輸入有低電平0.3V

時(shí)。實(shí)現(xiàn)了與非門(mén)的邏輯功能的另一方面:輸入有低電平時(shí),輸出為高電平。忽略流過(guò)RC2的電流,VB4≈VCC=5V

。由于T4和D導(dǎo)通,所以:

VO≈VCC-VBE4-VD

=5-0.7-0.7=3.6(V)綜合上述兩種情況,該電路滿足與非的邏輯功能,即:(2)對(duì)于或非門(mén)及或門(mén),多余輸入端應(yīng)接低電平,比如直接接地;也可以與有用的輸入端并聯(lián)使用。多余輸入端的處理

(1)對(duì)于與非門(mén)及與門(mén),多余輸入端應(yīng)接高電平。如直接接電源正端,在前級(jí)驅(qū)動(dòng)能力允許時(shí),也可以與有用的輸入端并聯(lián)使用。3.一端消去或加上小圓圈,同時(shí)將相應(yīng)變量取反,其邏輯關(guān)系不變。2.任一條線一端上的小圓圈移到另一端,其邏輯關(guān)系不變。

2.5混合邏輯中邏輯符號(hào)的變換1.邏輯圖中任一條線的兩端同時(shí)加上或消去小圓圈,其邏輯關(guān)系不變。8.2.3邏輯代數(shù)的基本公式和基本規(guī)則一、邏輯代數(shù)的基本定律0-1律重疊律互補(bǔ)律交換律結(jié)合律分配律反演律例:用真值表證明反演律000101101111000110010101000證明:練習(xí):證明成立。證明:8.3邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)

同一個(gè)邏輯函數(shù)可以寫(xiě)成不同形式的邏輯式,邏輯函數(shù)式越簡(jiǎn)單,它所表示的邏輯關(guān)系越明顯,也有利于用最少的電子器件實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯函數(shù)。最簡(jiǎn)“與或”式的標(biāo)準(zhǔn):1.含的與項(xiàng)最少;--門(mén)最少2.各與項(xiàng)中的變量數(shù)最少。--門(mén)的輸入端最少以后主要討論“與或”式的化簡(jiǎn)。其中,最常用的為“與或”邏輯表達(dá)式。1.吸收法(消項(xiàng)法)例:用吸收法化簡(jiǎn)下列邏輯函數(shù)解:利用公式,將多余項(xiàng)吸收(消去)。8.3.1公式和定理化簡(jiǎn)法(代數(shù)化簡(jiǎn)法):2.并項(xiàng)法

例:用并項(xiàng)法化簡(jiǎn)下列邏輯函數(shù)解:利用公式將兩項(xiàng)合并成一項(xiàng),并消去互補(bǔ)因子。由代入規(guī)則,A和B也可是復(fù)雜的邏輯式。解:⊙解:3.消去法例:用消去法化簡(jiǎn)下列邏輯函數(shù)解:利用公式或,將多余因子吸收(消去)。4.配項(xiàng)法例:用配項(xiàng)法化簡(jiǎn)下列邏輯函數(shù)解:利用公式,配項(xiàng)或增加多余項(xiàng),再和其他項(xiàng)合并。解:解:解法1:解法2:代數(shù)化簡(jiǎn)法

優(yōu)點(diǎn):不受變量數(shù)目的限制。

缺點(diǎn):沒(méi)有固定的步驟可循;需要熟練運(yùn)用各種公式和定理;在化簡(jiǎn)一些較為復(fù)雜的邏輯函數(shù)時(shí)還需要一定的技巧和經(jīng)驗(yàn);有時(shí)很難判定化簡(jiǎn)結(jié)果是否最簡(jiǎn)。由上例可知,邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)結(jié)果不是唯一的。3邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡(jiǎn)法

將n變量的全部最小項(xiàng)各用一個(gè)小方塊表示,并使具有邏輯相鄰性的最小項(xiàng)在幾何位置上也相鄰地排列起來(lái),所得到的圖形叫做n變量的卡諾圖(KarnaughMap)。(1)卡諾圖的構(gòu)成AB00011011

m0

m1

m2

m3AABBABAB1010

m0

m1

m2

m3

miABABABAB1010

0

1

2

3二變量K圖

建立多于二變量的卡諾圖,則每增加一個(gè)邏輯變量就以原卡諾圖的右邊線(或底線)為對(duì)稱(chēng)軸作一對(duì)稱(chēng)圖形,對(duì)稱(chēng)軸左面(或上面)原數(shù)字前增加一個(gè)0,對(duì)稱(chēng)軸右面(或下面)原數(shù)字前增加一個(gè)1。ABC0100011110

m0

m1

m2

m3

m4

m5

m6

m7000111100001

11

1001

2

34

5

6

7

12

13

14

15

8

9

10

11ABCDABC0100011110

0

1

2

3

456

7三變量K圖四變量K圖∴卡諾圖是上下,左右閉合的圖形。邏輯相鄰:僅有一個(gè)變量不同;(2)邏輯函數(shù)的卡諾圖①給出真值表將真值表的每一行的取值填入卡諾圖即可。填入Y=1的項(xiàng)即可。ABCY00000101001110010111011100010101例:ABC0100011110

0

0

0

1

010

1ABC0100011110

1

1

1①畫(huà)出邏輯函數(shù)的卡諾圖。②圈“1”合并相鄰的最小項(xiàng)。③將每一個(gè)圈對(duì)應(yīng)的與項(xiàng)相或,即得到最簡(jiǎn)與或式。①盡量畫(huà)大圈,但每個(gè)圈內(nèi)只能含有2n(n=0,1,2,3……)個(gè)相鄰項(xiàng)。邏輯相鄰性。②圈的個(gè)數(shù)盡量少。③卡諾圖中所有取值為“1”的方格均要被圈過(guò),即不能漏下取值為“1”的最小項(xiàng)。④保證每個(gè)圈中至少有一個(gè)“1格”只被圈過(guò)一次,否則該圈是多余的。畫(huà)圈原則:2.最簡(jiǎn)與或式的求法①畫(huà)出邏輯函數(shù)的卡諾圖。②圈“1”合并相鄰的最小項(xiàng)。③將每一個(gè)圈對(duì)應(yīng)的與項(xiàng)相或,即得到最簡(jiǎn)與或式。(3)邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡(jiǎn)法在卡諾圖中,凡是幾何位置相鄰的最小項(xiàng)均可以合并。①任何一個(gè)合并圈(即卡諾圈)所含的方格數(shù)為2n個(gè)。②必須按照邏輯相鄰畫(huà)出卡諾圈③2n個(gè)方格合并,消去n個(gè)變量。1.卡諾圖中最小項(xiàng)合并規(guī)律A0

1

11

1BC100011110

1

1給出真值表或卡諾圖ABC0100011110

1

1

111

1000111100001

11

101

1

11

1

1

1

1

1

1

1

ABCD000111100001

11

101

1

1

1

1

1

1

1

1

1

ABCD給出的最小項(xiàng)之和式③給出的不是最小項(xiàng)之和式確定使每個(gè)與項(xiàng)為1的所有輸入變量取值,并在卡諾圖上對(duì)應(yīng)方格填1;其余的方格填0(或不填)。也可化為標(biāo)準(zhǔn)與或式,再填入。例:用卡諾圖分別描述下列邏輯函數(shù)ABC0100011110

1

111

1解::當(dāng)ABC=×10時(shí)該與項(xiàng)為1,在卡諾圖上對(duì)應(yīng)兩個(gè)方格(m2,m6)處填1。:當(dāng)ABC=A××?xí)r該與項(xiàng)為1,在卡諾圖上對(duì)應(yīng)兩個(gè)方格(m4,m5,m6,m7)處填1。000111100001

11

101

1

1

1

1

1

1

11

1ABCD

D:當(dāng)ABCD=×××1時(shí)該與項(xiàng)為1,對(duì)應(yīng)八個(gè)方格(m1、m3、m5、m7、m9、m11、m13、m15)處填1。:當(dāng)ABCD=001×?xí)r該與項(xiàng)為1,對(duì)應(yīng)兩個(gè)方格(m2、m3)處填1。:當(dāng)ABCD=101×?xí)r該與項(xiàng)為1,在卡諾圖上對(duì)應(yīng)兩個(gè)方格(m10、m11)處填1。解:AD:當(dāng)ABCD=1××1時(shí)該與項(xiàng)為1,對(duì)應(yīng)四個(gè)方格(m9、m11、m13、m15)處填1。某些最小項(xiàng)重復(fù),只需填一次即可。例:7.具有約束項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)

1)邏輯函數(shù)中的約束項(xiàng)。2)具有約束項(xiàng)的函數(shù)化簡(jiǎn)。

①將具有約束項(xiàng)的邏輯函數(shù)填入卡諾圖中(約束項(xiàng)的小方格用“×”,其他項(xiàng)與普通函數(shù)一樣填寫(xiě))。

②畫(huà)卡諾圈(合并函數(shù)時(shí),需要使約束項(xiàng)為“1”便將其圈入卡諾圈中,否則視為“0”)。

③寫(xiě)出簡(jiǎn)化結(jié)果(消去不同,保留相同)。

解:(1)根據(jù)題意列真值表(見(jiàn)表8-15),并將約束項(xiàng)的最小項(xiàng)填上“×”。

①當(dāng)A、B、C、D的取值為0000~0100時(shí),Y=0。表8-?15例8.16真值表②當(dāng)A、B、C、D的取值為0101~1001時(shí),Y=1。

③由于十進(jìn)制數(shù)只有0~9這10個(gè)數(shù)碼,對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼是0000~1001,所以A、B、C、D的取值1010~1111這6組取值是不允許出現(xiàn)的,也就是說(shuō),這6組最小項(xiàng)是“約束項(xiàng)”。例8.16設(shè)輸入A、B、C、D是十進(jìn)制數(shù)X的二進(jìn)制編碼,當(dāng)X≥5時(shí),輸出Y為1,否則為0,求Y的最簡(jiǎn)“與或”表達(dá)式。(2)根據(jù)真值表和約束條件填寫(xiě)卡諾圖,如圖8-47b所示。

(3)寫(xiě)出化簡(jiǎn)后的函數(shù)式。圖8-47例8.16的卡諾圖圖a的結(jié)果:圖b的結(jié)果:Y(A,B,C,D)=A+BD+BC

例8.17已知Y(A,B,C,D)=∑m(0,2,7,8,13,15)+∑d(1,5,

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