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第11章

串行通信及其接口電路本章主要內容(1)串行通信的基本概念(2)可編程串行接口片8251A11.1串行通信11.1.1串行通信的特點說明串行通信與并行通信主要區(qū)別的示意圖如圖11.1所示。

圖11.1串行通信與并行通信的區(qū)別由圖11.1可見,在并行通信方式中,一個字節(jié)(8位)數(shù)據是在8條并行傳輸線上同時由源點傳到終點。在串行通信方式中,數(shù)據是在單條1位寬的傳輸線上一位接一位地順序傳送。一個字節(jié)的數(shù)據要通過同一條傳輸線分8次由低位到高位按順序傳送。串行通信的一個突出優(yōu)點就是節(jié)省傳輸線,尤其是在遠距離的數(shù)據傳輸時,這個優(yōu)點就更為明顯。與并行傳送相比,串行傳送的數(shù)據傳輸率較低,這是串行傳送方式的主要缺點。

11.1.2串行通信涉及的常用術語和基本概念1.單工、半雙工和全雙工(1)單工(Simplex)特點:僅能進行一個方向的數(shù)據傳送

設備A發(fā)送器設備B接收器Dataflow(2)半雙工(HalfDuplex)特點:數(shù)據可以在兩個方向上進行傳送,但是這種傳送絕不能同時進行?!倦p向,但不同時】設備A發(fā)送器/接收器設備B接收器/發(fā)送器Dataflow(3)全雙工(FullDuplex)特點:能夠在兩個方向同時進行數(shù)據傳送。設備A發(fā)送器/接收器設備B接收器/發(fā)送器2.數(shù)據傳輸率

每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù),單位為bps(bitpersecond)也稱比特率。波特率---每秒傳輸?shù)摹胺枴保ㄒ卜Q信號碼元—SignalElement)的個數(shù)?!纠纾棵雮魉?個符號,則波特率為1波特】在計算機中,一個“符號”的含義為高、低兩種電平,分別代表邏輯值“1”和“0”,所以每個符號的信息量為1比特,此時波特率與比特率剛好一致。在其他一些場合(例如通信中采用的“相一幅”復合調制技術),一個“符號”的信息含量就不是一個比特,此時,波特率就不等于比特率。3.發(fā)送時鐘和接收時鐘在串行通信中,發(fā)送器需要用一定頻率的時鐘信號來決定發(fā)送的每一位數(shù)據所占用的時間。接收器也需要用一定頻率的時鐘信號來檢測每一位輸入數(shù)據。發(fā)送器使用的時鐘信號稱為發(fā)送時鐘,接收器使用的時鐘信號稱為接收時鐘。串行通信所傳送的二進制數(shù)據序列在發(fā)送時是以發(fā)送時鐘作為數(shù)據位的劃分界限,在接收時是以接收時鐘作為數(shù)據位的檢測和采樣定時。串行數(shù)據的發(fā)送由發(fā)送時鐘控制。數(shù)據的發(fā)送過程是:首先把系統(tǒng)中要發(fā)送的并行數(shù)據系列送入發(fā)送器中的移位寄存器,然后在發(fā)送時鐘的控制之下,把移位寄存器中的數(shù)據串行逐位移出到串行輸出線上。每個數(shù)據位的時間間隔由發(fā)送時鐘周期來劃分。

串行數(shù)據的接收是由接收時鐘對串行數(shù)據輸入線進行采樣定時。數(shù)據的接收過程是:在接收時鐘的每一個時鐘周期采樣一個數(shù)據位,并將其移入接收器中的移位寄存器,最后組合成并行數(shù)據系列,存入系統(tǒng)存儲器中。4.波特率因子

F(時鐘頻率)=波特率因子×波特率波特率因子:數(shù)據傳輸率(波特率)與時鐘頻率之間的比例系數(shù).給定時鐘頻率,選擇不同的波特率因子可得到不同的波特率。

例如:F=19.2kHz,若選波特率因子為16,則波特率為1200bps。若選定波特率因子和波特率,則相應的確定了對時鐘頻率的要求。

5.異步方式與同步方式1)異步方式異步方式又稱起止同步方式。這是在計算機通信中常用的一種數(shù)據信息傳輸方式。串行異步傳送的數(shù)據格式如圖11.3所示。

圖11.3串行異步傳輸數(shù)據格式在異步方式中,收、發(fā)雙方取得同步的辦法是采用在字符格式中設置起始位和停止位。在一個有效字符正式傳送前,發(fā)送器先發(fā)送一個起始位,然后發(fā)送有效字符位,在字符結束時再發(fā)送一個停止位,起始位至停止位構成一幀。接收器不斷地檢測或監(jiān)視串行輸入線上的電平變化,當檢測到有起始位出現(xiàn)時,便知道接著是有效字符位的到來,并開始接收有效字符,當檢測到停止位時,就知道傳輸?shù)淖址Y束了。經過一段隨機的時間間隔之后,又進行下一個字符的傳送過程。異步通信方式總是在傳送每個字符的頭部即起始位處進行一次重新定位,即使收、發(fā)雙方的時鐘頻率存在一定偏差,但只要不使接收器在一個字符的起始位之后的采樣出現(xiàn)“錯位”現(xiàn)象,則數(shù)據傳送仍可正常進行。異步通信的發(fā)送器和接收器可以沒有共同的時鐘,通信的雙方可以各自使用自己的本地時鐘。下面對圖11.3串行異步傳輸?shù)臄?shù)據格式作簡要說明:

(1)起始位:起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯“0”電平,標著傳送一個字符的開始。(2)數(shù)據位:數(shù)據位為5~8位。它緊跟在起始位之后,是被傳送字符的有效數(shù)據位。傳送時,先傳送字符的低位,后傳送高位。(3)奇偶校驗位:奇偶校驗位僅占1位。可以為奇校驗或偶校驗,也可以不設置校驗位。(4)停止位:停止位為1位、1.5位或2位。它一定是邏輯“1”電平,標志著傳送一個字符的結束。在一個字符傳送前,線路處于空閑狀態(tài),輸出線上為邏輯“1”電平;傳送一開始,輸出線由“1”變?yōu)椤?”電平,并持續(xù)1比特的時間,表明起始位的出現(xiàn);起始位后面為5~8個數(shù)據位,數(shù)據位是按“低位先行”的規(guī)則傳送,即先傳送字符的最低位,接著依次傳送其余各位;數(shù)據位后面是校驗位,可以是奇校驗或偶校驗,也可不設置校驗位;最后發(fā)送的一定是“1”電平,以作為停止位,它可以是1位、1.5位或2位。在串行異步通信中,為發(fā)送一個字符需要一些附加的信息位,即一個起始位,一個奇偶校驗位以及1位、1.5位或2位停止位。這些附加信息位不是有效信息本身,它們起到使字符成幀的“包裝”作用,稱為通信開銷。假定每一個字符由7位組成,傳送時帶有1位校驗位,那么為了在異步接口上傳送一個字符,必須發(fā)送10位、11.5位或11位。假定只使用一位停止位,那么所發(fā)送的10位中只有7位是有效數(shù)據位。整個通信能力的30%成了額外開銷??梢?,采用串行異步通信方式時,其通信效率較低。2)同步方式

同步方式要求對傳送數(shù)據的每一位都必須在收、發(fā)兩端嚴格保持同步,即所謂“位同步”。因此,在同步方式中,收、發(fā)兩端需用同一個時鐘源作為時鐘信號。同步方式是用被稱之為同步字符的二進制序列來表示數(shù)據發(fā)送的開始。即發(fā)送器總是在發(fā)送有效數(shù)據字符之前,先發(fā)送同步字符去通知接收器有效數(shù)據的第一位何時到達。有效數(shù)據信息以連續(xù)串行的形式發(fā)送,每個時鐘周期發(fā)送一位數(shù)據。接收器搜索到同步字符后,才開始接收有效數(shù)據位。同步傳送時,字符代碼間不留空隙,它嚴格按照固定的速率發(fā)送和接收每次傳送的所有數(shù)據位。串行同步通信的信息格式如圖11.4所示。

圖11.4串行同步通信信息格式同步方式的通信效率:同步方式不是通過在每個字符的前后添加“起始位”和“停止位”來實現(xiàn)同步,而是采用在連續(xù)發(fā)送有效數(shù)據字符之前發(fā)送同步字符來實現(xiàn)收、發(fā)雙方之間的同步。同步方式的通信開銷是以數(shù)據塊為基礎的,即不管發(fā)送的數(shù)據塊是大還是小,額外傳送的比特數(shù)都是相同的。每次傳送的數(shù)據塊越大,其非有效數(shù)據信息所占比例越小,通信效率越高。6.差錯校驗校驗是數(shù)據通信中的重要環(huán)節(jié)之一,常用的校驗方法有下述兩種。1)奇偶校驗奇偶校驗是最簡單最常用的校驗方法。它的基本原理是在所傳輸?shù)挠行?shù)據位中附加冗余位(即校驗位)。利用冗余位的存在,使整個信息位(包括有效信息和校驗位)中“1”的個數(shù)具有奇數(shù)或偶數(shù)的特性。整個信息位經過在線路上傳輸以后,若原來所具有的“1”的個數(shù)奇偶性發(fā)生了變化,則說明出現(xiàn)了傳輸差錯,可由專門的檢測電路檢測出來。這種利用信息位中“1”的個數(shù)奇偶性來達到校驗目的的編碼,稱為奇偶校驗碼。使整個信息位“1”的個數(shù)為奇數(shù)的編碼叫奇校驗碼,而使整個信息位“1”的個數(shù)為偶數(shù)的編碼叫偶校驗碼。附加的信息位稱為奇偶校驗位,簡稱校驗位。需要傳送的數(shù)據位本身稱為有效信息位。通常可將一個校驗過程分為編碼和解碼兩個過程。下面以偶校驗為例說明其編碼和解碼過程。(1)編碼:發(fā)送器將某一數(shù)據發(fā)送前,統(tǒng)計有效信息位中“1”的個數(shù)。若為奇數(shù),則在附加的校驗位處寫“1”;若為偶數(shù),則在校驗位處寫“0”,以使整個信息位“1”的個數(shù)為偶數(shù)。這一過程也稱配校驗位?!纠?1.1】有效信息1011101

偶校驗碼10111011(最后一位為校驗位)【例11.2】有效信息1011001

偶校驗碼10110010(最后一位為校驗位)(2)解碼:接收器在接收數(shù)據時,將接收到的整個信息位(包括校驗位)經由專門的檢測電路一道統(tǒng)計。若“1”的個數(shù)仍為偶數(shù),就認為接收的數(shù)據是正確的;否則,表明有差錯出現(xiàn),應停止使用這個數(shù)據,需重新傳送,或作其他的專門處理。在目前常用的可編程串行通信接口片中,如果接收器檢測到奇偶錯,則將接口電路中狀態(tài)寄存器的相應位置“1”,以供CPU查詢檢測。簡單的奇偶校驗碼(例如上述那種只配一位校驗位的校驗碼),其檢錯能力是很低的,它只能檢查出一位錯。如果兩位同時出錯,則檢查不出來,即失去了檢驗能力。簡單的奇偶校驗碼沒有糾錯校正功能,因為它不具備對錯誤定位的能力,例如在偶校驗中,盡管可以知道接收到的代碼10110000是非法的,但卻無法判定錯誤發(fā)生在哪一位上。由于奇偶校驗碼簡單易行,編碼和解碼電路簡單,不需增加很多設備,所以它仍在誤碼率不高的許多場合得以廣泛應用。2)CRC校驗CRC是循環(huán)冗余校驗(CyclicRedundancyCheck)的英文縮寫。它是計算機和數(shù)據通信中常用的校驗方法中最重要的一種。它的編碼效率高,校驗能力強,對隨機錯碼和突發(fā)錯碼均能以較低的冗余度進行嚴格檢錯。CRC校驗是利用編碼的原理,對所要傳送的二進制碼序列,按特定的編碼規(guī)則產生相應的校驗碼(CRC校驗碼),并將CRC校驗碼放在有效信息代碼之后,形成一個新的二進制序列,并將其發(fā)送出去;接收時,再依據特定的規(guī)則檢查傳輸過程是否產生差錯,如發(fā)現(xiàn)有錯,可要求發(fā)送方重新傳送,或作其他專門處理。11.2串行通信接口標準11.2.1RS-232CRS-232C是適合于數(shù)據終端設備DTE和數(shù)據通信設備DCE之間相互連接與通信的一個串行通信接口標準,簡稱RS-232C標準。1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA公布,所以也稱EIARS-232C標準。圖11.5表示了RS-232C在一個典型的通信系統(tǒng)中的使用環(huán)境。其中CRT終端經電話線路與遠程計算機通信。在該系統(tǒng)中DTE設備就是CRT終端和遠程計算機,它們是所傳數(shù)據的源點和終點;DCE設備就是調制解調器,由它們實現(xiàn)在公共電話網上進行數(shù)據通信所必須的信號轉換及有關功能。連接兩個DCE的是公共電話線路。

圖11.5RS-232C接口環(huán)境RS-232C接口的最高數(shù)據傳輸率為19.2Kbps,傳輸電纜長度不超過15米。11.2.2RS-485

RS-485適用于收、發(fā)雙方共用一對線路進行通信,它也適用于多個站點之間共用一對線路進行總線方式聯(lián)網,但通信只能是半雙工的,具體線路如圖11.6所示。由于共用一對線路,在任何時刻,只允許一個發(fā)送器發(fā)送數(shù)據,其他發(fā)送器必須處于關閉(高阻)狀態(tài),這是通過發(fā)送器芯片上的發(fā)送控制端實現(xiàn)的。例如,當該端為高電平時,發(fā)送器可以發(fā)送數(shù)據;當該端為低電平時,發(fā)送器的兩個輸出端都呈高阻狀態(tài),好像與線路斷開一樣。圖11.6RS-485標準采用RS-485標準,在不用調制解調器的情況下,傳輸率為100Kbps時,傳輸距離可達1200米;9600bps時可傳送15000米;10Mbps時則只能傳送15米。11.3可編程串行通信接口8251A11.3.1USART隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展,多種通用的可編程同步和異步接口片USART(UniversalSynchronousAsynchronousReceiver/Transmitter)被推出,典型的芯片有MotorolaACIA,Intel8251,ZilogSIO等。它們有各自的特點,就其基本功能結構來說是類似的,均具有串行接收/發(fā)送異步和同步格式數(shù)據的能力。1.結構

發(fā)送部分:能接收與暫存由CPU并行輸出的數(shù)據。在異步方式時,通過移位寄存器變?yōu)榇袛?shù)據格式并添加上起始位、奇偶校驗位及停止位,由一條數(shù)據線發(fā)送出去;在同步方式時,能自動插入同步字符。接收部分:異步方式時,能把接收到的數(shù)據去掉起始位、停止位,檢查有無奇偶錯,然后經過移位寄存器變?yōu)椴⑿懈袷胶螅椭两邮站彌_寄存器,以便CPU用輸入指令取走;同步方式時,能夠自動識別同步字符。這類接口片還必須有控制與狀態(tài)部分,通過它們一方面可以實現(xiàn)片內控制以及向外設發(fā)出控制信號的功能,另一方面還能提供接口的工作狀態(tài)以供CPU檢測。2.初始化對于串行接口片,初始化程序通常要涉及如下幾方面的問題.。①同步還是異步方式;②字符格式;③時鐘脈沖頻率與波特率的比例系數(shù);④有關命令位的確定。11.3.28251A的基本性能和工作原理1.8251的基本功能和特性(1)可用于同步和異步傳送。(2)同步傳送:5~8位/字符;內部或外部字符同步;可自動插入同步字符。(3)異步傳送:5~8位/字符;時鐘速率為通信速率的1、16、64倍??僧a生中止字符;可產生1、1.5、或2位的停止位;可檢測假起始位;可自動檢測和處理中止字符。(4)波特率:異步:DC-19.2K;同步:DC-64K。(5)全雙工、雙緩沖器發(fā)送和接收。(6)差錯檢測:具有奇偶錯、溢出錯和幀格式錯等差錯檢測電路。(7)全部輸入輸出與TTL電平兼容;單一+5V電源;單一TTL電平時鐘;

28腳雙列直插式封裝。2.8251A的引腳圖8251A有28條引腳,引腳分配如圖11.7所示。8251AD1TxDCLKRESETDSRRTSDTRRxCVccD0TxEMPTYCTSWRTxCD7D6D5D4

GNDRxDD3CSRDC/DSYNDET/BRKDETTxRDYRxRDY11098765432111312281920212223242526271815161714D2圖11.78251A的引腳信號3.8251A的內部結構框圖及工作原理8251A的結構方塊圖如圖11.8所示。由圖中可看出8251A可分為5個部分。

(1)接收器

(2)發(fā)送器

(3)數(shù)據總線緩沖器

(4)調制解調器控制電路

(5)讀寫控制邏輯電路

數(shù)據總線緩沖器讀/寫控制邏輯電路調制/解調控制電路接收控制電路串-并轉換發(fā)送緩沖器緩沖器并-串轉換發(fā)送控制電路RESETCLKC/DRDWRCSDSRDTRCTSRTSD7-D0內部總線TXDRXDTXEMPTYTXCRXRDYRXCSYNDETTXRDY發(fā)送器接收器圖11.88251A內部結構框圖接收11.3.38251A對外接口信號

8251A是CPU與外設之間的接口電路,其對外的接口信號可分為兩組:一組是與CPU的接口信號;另一組是與外設之間的接口信號(參見圖11.10)。

80868251A外設D7-D0CLK譯碼CSABM/IOC/DRDRDWRWRTXRDYTXEMPTYRXRDYSYNDETRESETDTRDSRRTSCTSTXDRXD計數(shù)器/定時器RXCTXC圖11.108251A的對外接口信號1.8251A與CPU之間的接口信號

(1)

復位信號RESET(2)數(shù)據線D7~D0(3)讀寫控制信號

(4)收發(fā)聯(lián)絡信號

8251A的讀/寫控制真值表CSC/DRDWR操作0001CPU從8251A讀數(shù)據0010CPU往8251A寫數(shù)據0101CPU從8251A讀狀態(tài)0110CPU往8251A寫控制命令0×11D7~D0為高阻態(tài)1×××D7~D0為高阻態(tài)2.8251A與外設之間的接口信號

有4個Modem控制信號DTR、DSR、RTS和CTS。另外還有4個信號,如下所述:

(1)接收器時鐘RXC(2)發(fā)送器時鐘TXC(3)接收數(shù)據線RXD(4)發(fā)送數(shù)據線TXD11.3.48251A的編程

8251A的編程包括兩部分,一部分是設定方式選擇控制字,另一部分是發(fā)出操作命令。前者用來定義8251A的工作方式,它必須緊接在復位后由CPU寫入;后者用來指定芯片的實際操作,只有在寫入了方式選擇控制字后,才能由CPU寫入。1.方式選擇控制字

8251方式選擇控制字的格式如圖11.11所示。圖11.11方式選擇控制字的格式2.操作命令控制字8251的操作命令控制字的格式如圖11.12所示,它直接讓8251A實現(xiàn)某種操作或進入規(guī)定的工作狀態(tài)。圖11.12操作命令控制字的格式3.狀態(tài)字CPU可以在8251A工作過程中利用輸入指令(IN指令)讀取當前8251A的狀態(tài)字,從而可以檢測接口和數(shù)據傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)。

8251A狀態(tài)字的格式如圖11.13所示。圖11.13狀態(tài)字格式(1)三個錯誤標志位PE、OE和FE,PE=1是奇偶校驗錯;OE=1是溢出錯,也稱為“超越錯”;FE=1是“幀格式錯”,它們只對異步方式有效。出現(xiàn)這三種錯誤時都不中止8251A的工作,它們可以用操作命令字中的ER位來復位。(2)

RXRDY、TXE(TXEMPTY)和SYNDET/BRKDET位與同名引腳的狀態(tài)含義相同,此處不再重述。(3)DSR位是數(shù)據通信設備準備好狀態(tài)位,DSR=1表示調制解調器或其他外設已處于準備好狀態(tài),此時DSR輸入信號有效。(4)

TXRDY是發(fā)送器準備好位,它與輸出引腳TXRDY的含義有所不同。TXRDY狀態(tài)位為“1”只反映當前發(fā)送緩沖器已空,而TXRDY輸出引腳為“1”時,除發(fā)送緩沖器已空外,還需要以CTS=0和TXEN=1為條件,即存在如下邏輯關系:輸出引腳TXRDY為“1”=發(fā)送緩沖器空·(CTS=0)·(TXEN=1)通常TXRDY狀態(tài)位提供CPU查詢,而TXRDY引腳的輸出信號作為中斷請求信號發(fā)給CPU。4.初始化及數(shù)據傳送流程圖8251A的初始化及數(shù)據傳送流程圖如圖11.14所示。圖11.148251A初始化和數(shù)據傳送流程8251A的初始化編程必須在復位操作之后,先設置方式指令字;如果設定在異步方式,則馬上要輸出命令指令字進行設置,然后才能進行數(shù)據傳送;在數(shù)據傳送過程中,也可使用命令指令字進行某些操作設置或讀取8251A的狀態(tài);在數(shù)據傳送結束時,若使用IR位為“1”的內部復位命令使8251A復位,則它又可重新接收方式指令字,從而改變工作方式完成其他傳送任務。如果設定8251A工作在同步方式,那么在輸出方式指令字后,應緊跟著輸出一個同步字符或兩個同步字符,然后再輸出命令指令字,后面的操作與異步方式相同。5.編程舉例1)異步方式下的初始化編程舉例設定8251A工作于異步方式,波特率因子為64,每字符7個數(shù)據位,偶校驗,2位停止位,則方式選擇控制字為11111011=FBH。

操作命令字的設定,例如使8251A的發(fā)送器允許,接收器允許,使狀態(tài)寄存器中的3個錯誤標志位復位,使數(shù)據終端準備好信號DTR輸出低電平,則命令指令字應為00010111=17H。若8251A的端口地址為50H、51H,則本例初始化程序如下:

MOVAL,0FBH;輸出方式選擇控制字

OUT51H,ALMOVAL,17H;輸出操作命令令字

OUT51H,ALCPU執(zhí)行上述程序之后,即完成了對8251A異步方式的初始化編程。2)同步方式下的初始化編程舉例8251A工作于同步方式,雙同步字符,同步字符設定為16H,內同步,偶校驗,每字符7個數(shù)據位,則方式選擇字為00111000B=38H。命令指令字設定為10010111B=97H,使發(fā)送器允許,接收器允許,使錯誤標志復位,開始搜索同步字符,并通知調制解調器,數(shù)據終端設備已準備就緒。8251A的端口地址為50H、51H,則本例初始化程序如下:

MOVAL,38H

;輸出方式選擇字

OUT51H,ALMOVAL,16H

;輸出兩個同步字符16HOUT51H,ALOUT51H,ALMOVAL,97H

;輸出操作命令字

OUT51H,ALCPU執(zhí)行上述程序之后,即完成了對8251A同步方式的初始化編程。11.3.58251A應用舉例【例11.3】利用8251A實現(xiàn)雙機通信。

利用8251A實現(xiàn)相距較近(不超過15米)的兩臺微機相互通信,其硬件連接圖如圖11.15所示。近距離通信,不需使用MODEM,兩臺微機直接通過8251A相連即可(雙方的發(fā)送數(shù)據線TXD與接收數(shù)據線RXD交叉扭接,并將兩邊的信號地連接起來)。不需要使用與MODEM的聯(lián)絡控制信號線DTR*、DSR*及RTS*、CTS*,連接時僅使8251A的CTS*接地即可。

11.15利用8251A進行雙機通信硬件連接圖(1)發(fā)送端初始化程序及控制程序如下所示(設在此之前已對8251A進行了復位操作):START:MOVDX,8251A控制端口號

MOVAL,7AH;輸出方式指令字,異步方式,7位數(shù)據位,1位停止位

OUTDX,AL;偶校驗,波特率因子為16MOVAL,11H;輸出命令指令字,發(fā)送器允許,錯誤標志復位

OUTDX,ALMOVSI,發(fā)送數(shù)據塊首地址

MOVCX,發(fā)送數(shù)據塊字節(jié)數(shù)NEXT:MOVDX,8251A控制端口號

INAL,DX;輸入狀態(tài)字

TESTAL,01H;查詢狀態(tài)位TXRDY是否為“1”JZNEXT;發(fā)送未準備好,則繼續(xù)查詢

MOVDX,8251A數(shù)據端口號

MOVAL,[SI];發(fā)送準備好,則從發(fā)送區(qū)取一字節(jié)數(shù)據發(fā)送

OUTDX,AL

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