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建議讀一讀《嵌入式系統(tǒng)Boot Loader技術內幕》(詹榮開著)。什么是Bootloader就不再這里廢話了，看看上面的文章就明了了。
Bootloader有很多種，如本文將要閱讀的vivi，除此之外還有uboot，redboot，lilo等等。Vivi 是韓國mizi公司專門為三星s3c2410芯片設計的Bootloader。
先來看看vivi的源碼樹：
vivi-+-arch-+-s3c2410
|-Documentation
|-drivers-+-serial
| ‘ -mtd-+-maps
| |-nor
| ‘-nand
|-include-+-platform
| |-mtd
| ‘-proc
|-init
|-lib-+-priv_data
|-scripts-+-lxdialog
|-test
|-util
可以google一下，搜到源碼vivi.tar.gz。
前面提到的文件已經系統(tǒng)的分析了bootloader的，這里就按源代碼來具體說事。vivi也可以分為2個階段，階段1的代碼在arch/s3c2410/head.S中，階段2的代碼從init/main.c的main函數(shù)開始。
階段1
階段1從程序arch/s3c2410/head.S開始，按照head.S的代碼執(zhí)行順序，一次完成了下面幾個任務：
關WATCH DOG (disable watch dog timer)
上電后，WATCH DOG默認是開著的
禁止所有中斷 (disable all interrupts)
vivi中不會用到中斷，中斷是系統(tǒng)的事，bootloader可不能去干這事的(不過這段代碼實在多余，上電后中斷默認是關閉的)
初始化系統(tǒng)時鐘(initialise system clocks)
啟動MPLL，F(xiàn)CLK=200MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz，“CPU bus mode”改為“Asynchronous bus mode”。
初始化內存控制寄存器(memsetup)
S3c2410共有15個寄存器，在此開始初始化13個寄存器。
檢查是否從掉電模式喚醒(Check if this is a wake-up from sleep)若是，則調用WakeupStart函數(shù)進行處理。
點亮所有LED (All LED on)
點一下燈，通知外面的同志，告訴他們有情況發(fā)生。
初始化UART0 (set GPIO for UART & InitUART)
a.設置GPIO，選擇UART0使用的引腳
b.初始化UART0，設置工作方式(使用FIFO)、波特率115200 8N1、無流控等。這可是使用串口與s3c2410通信的條件啊，在終端也要如此設置。
跳到內存測試函數(shù)(simple memory test to find some DRAM flaults)
當然要定義了CONFIG_BOOTUP_MEMTEST這個參數(shù)才會跳到內存測試。
如果定義了以Nand flash方式啟動(#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT)，則此時要將vivi所有代碼(包括階段1和階段2)從Nand flash復制到SDRAM中(因為在Nand flash中是不能執(zhí)行程序的，它只能做為程序和數(shù)據的存儲器，而Nor flash可就不同了，Nor flash可以執(zhí)行程序，但貴是它發(fā)展的瓶頸)：
a.設置nand flash控制寄存器
b.設置堆棧指針
c.設置即將調用的函數(shù)nand_read_ll的參數(shù)：r0=目的地址(SDRAM的地址)，r1=源地址(nand flash的地址)，r2=復制的長度(以字節(jié)為單位)
d.調用nand_read_ll進行復制
跳到bootloader的階段2運行，亦即調用init/main.c中的main函數(shù)(get read to call C functions)
a.重新設置堆棧
b.設置main函數(shù)的參數(shù)
c.調用main函數(shù)
head.S有900多行，都是些arm匯編，看的云山霧罩，匯編看來是忘的差不多了，所以這部分代碼也看的相當糙，只知道大概在干什么，至于個中緣由就不是很了解。先學學arm匯編再回來看。
階段2
從init/main.c中的main函數(shù)開始，終于步入C語言的世界了。Main函數(shù)總共有8步(8 steps)，先看看源代碼：
int main(int argc, char *argv[])
{
int ret;
/*
* Step 1:
*/
putstr("\r\n");
putstr(vivi_banner); //vivi_banner是vivi執(zhí)行開始的顯示信息，vivi_banner在文件version.c中定義
reset_handler();
/*
* Step 2:
*/
ret = board_init();
if (ret) {
putstr("Failed a board_init() procedure\r\n");
error();
}
/*
* Step 3:
*/
mem_map_init();
mmu_init();
putstr("Succeed memory mapping.\r\n");
/*
* Now, vivi is running on the ram. MMU is enabled.
* Step 4:
*/
/* initialize the heap area*/
ret = heap_init();
if (ret) {
putstr("Failed initailizing heap region\r\n");
error();
}
/* Step 5:
* MTD
*/
ret = mtd_dev_init();
/* Step 6:
*/
init_priv_data();
/* Step 7:
*/
misc();
init_builtin_cmds();
/* Step 8:
*/
boot_or_vivi();
return 0;
}
下面按照上面的步驟逐步來分析一下。
1、Step 1：reset_handler()
reset_handler用于將內存清零，代碼在lib/reset_handle.c中。
1 void
2 reset_handler(void)
3 {
4 int pressed;
5 pressed = is_pressed_pw_btn(); /*判斷是硬件復位還是軟件復位*/
6 if (pressed == PWBT_PRESS_LEVEL) {
7 DPRINTK("HARD RESET\r\n");
8 hard_reset_handle(); /*調用clear_mem對SDRAM清0*/
9 } else {
10 DPRINTK("SOFT RESET\r\n");
11 soft_reset_handle(); /*此函數(shù)為空*/
12 }
13 }
在上電后，reset_handler調用第8行的hard_reset_handle()，此函數(shù)在lib/reset_handle.c中：
[main(int argc, char *argv[]) -> reset_handler() -> hard_reset_handle()]
1 static void
2 hard_reset_handle(void)
3 {
4 #if 0
5 clear_mem((unsigned long)(DRAM_BASE + VIVI_RAM_ABS_POS), \
6 (unsigned long)(DRAM_SIZE - VIVI_RAM_ABS_POS));
7 #endif
/*lib/memory.c,將起始地址為USER_RAM_BASE，長度為USER_RAM_SIZE的內存清0*/
8 clear_mem((unsigned long)USER_RAM_BASE, (unsigned long) USER_RAM_SIZE);
9 }
先寫到這兒吧。
2、Step 2：board_init()
board_init調用2個函數(shù)用于初始化定時器和設置各GPIO引腳功能，代碼在arch/s3c2410/smdk.c中：
[main(int argc, char *argv[]) > board_init()]
1 int board_init(void)
2 {
3 init_time(); /*arch/s3c2410/proc.c*/
4 set_gpios(); /*arch/s3c2410/smdk.c */
5 return 0;
6 }
init_time() 這個函數(shù)對寄存器進行了簡單的操作：
void init_time(void)
{
TCFG0 = (TCFG0_DZONE(0) | TCFG0_PRE1(15) | TCFG0_PRE0(0));
/*s3c2410 data sheet P298*/
/*TCFG0 = 0 | 0xf00 | 0 */
}
寄存器TCFG0由三部分組成，prescaler0,prescaler1,deadzone和reserve四部分，前三部分分別對應 TCFG0_PRE0、TCFG0_PRE1、TCFG0_DZONE，TCFG0_PRE0(0)實際值為0x00，TCFG0_PRE1(15)實際值為0x0f00，而TCFG0_DZONE(0)實際值為 0x000000。實際中，vivi并未使用定時器，這個函數(shù)就可以忽略。set_gpios()用于選擇GPA至GPH端口各引腳的功能及是否使用各引腳的內部上拉電阻，并設置外部中斷源寄存器EXTINT0-2(vivi中未使用外部中斷)。
1 void set_gpios(void)
2 {
3 GPACON = vGPACON;
4 GPBCON = vGPBCON;
5 GPBUP = vGPBUP;
6 GPCCON = vGPCCON;
7 GPCUP = vGPCUP;
8 GPDCON = vGPDCON;
9 GPDUP = vGPDUP;
10 GPECON = vGPECON;
11 GPEUP = vGPEUP;
12 GPFCON = vGPFCON;
13 GPFUP = vGPFUP;
14 GPGCON = vGPGCON;
15 GPGUP = vGPGUP;
16 GPHCON = vGPHCON;
17 GPHUP = vGPHUP;
18 EXTINT0 = vEXTINT0;
19 EXTINT1 = vEXTINT1;
20 EXTINT2 = vEXTINT2;
21 }
以第三行為例，vGPACON的值為0x007fffff，查找s3c2410用戶手冊可知，該參數(shù)將GPACON的23位全部置1。各位功能需察看s3c2410用戶手冊
3、Step 3：建立頁表和啟動MMU
mem_map_init();
mmu_init();
mem_map_init函數(shù)用于建立頁表，vivi使用段式頁表，只需要一級頁表。它調用3個函數(shù)，代碼在arch/s3c2410/mmu.c中：
[main(int argc, char *argv[]) > mem_map_init(void)]
1 void mem_map_init(void)
2 {
3 #ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT
/*CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT = y ，在文件include/autoconf.h中定義*/
4 mem_map_nand_boot();
/* 最終調用mem_mepping_linear, 建立頁表 */
5 #else
6 mem_map_nor();
7 #endif
8 cache_clean_invalidate();/* 清空cache,使無效cache */
9 tlb_invalidate(); /* 使無效快表TLB */
10 }
第9、 10行的兩個函數(shù)可以不用管它，他們做的事情在下面的mmu_init函數(shù)里又重復了一遍。對于本開發(fā)板，在.config中定義了 CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT。mem_map_nand_boot()函數(shù)調用mem_mapping_linear()函數(shù)來最終完成建立頁表的工作。頁表存放在SDRAM物理地址0x33dfc000開始處，共16K：一個頁表項4字節(jié)，共有4096個頁表項;每個頁表項對應 1M地址空間，共4G。mem_map_init先將4G虛擬地址映射到相同的物理地址上，NCNB(不使用cache，不使用write buffer)——這樣，對寄存器的操作跟未啟動MMU時是一樣的;再將SDRAM對應的64M空間的頁表項修改為使用cache。 mem_mapping_linear函數(shù)的代碼在arch/s3c2410/mmu.c中：
[main(int argc, char *argv[]) > mem_map_init(void) > mem_map_nand_boot( ) > mem_mapping_linear(void)]
1 static inline void mem_mapping_linear(void)
2 {
3 unsigned long pageoffset, sectionNumber;
4 putstr_hex("MMU table base address = 0x", (unsigned long)
mmu_tlb_base);
5 /* 4G 虛擬地址映射到相同的物理地址. not cacacheable, not bufferable */
6 /* mmu_tlb_base = 0x33dfc000*/
7 for (sectionNumber = 0; sectionNumber < 4096; sectionNumber++) {
8 pageoffset = (sectionNumber << 20);
9 *(mmu_tlb_base + (pageoffset >> 20)) = pageoffset |
MMU_SECDESC;
10 }
11 /* make dram cacheable */
12 /* SDRAM物理地址0x3000000-0x33ffffff,
13 DRAM_BASE=0x30000000,DRAM_SIZE=64M
14 */
15 for (pageoffset = DRAM_BASE; pageoffset < (DRAM_BASE+DRAM_SIZE); \
16 pageoffset += SZ_1M) {
17 //DPRINTK(3, "Make DRAM section cacheable: 0x%08lx\n", pageoffset);
18 *(mmu_tlb_base + (pageoffset >> 20)) = \
pageoffset | MMU_SECDESC | MMU_CACHEABLE;
19 }
20 }
mmu_init()函數(shù)用于啟動MMU，它直接調用arm920_setup()函數(shù)。arm920_setup()的代碼在arch/s3c2410/mmu.c中：
[main(int argc, char *argv[]) > mmu_init( ) > arm920_setup( )]
1 static inline void arm920_setup(void)
2 {
3 unsigned long ttb = MMU_TABLE_BASE;
/* MMU_TABLE_BASE = 0x33dfc000 */
4 __asm__(
5 /* Invalidate caches */
6 "mov r0, #0\n"
7 "mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0\n" /* invalidate I,D caches on v4 */
8 "mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4\n" /* drain write buffer on v4 */
9 "mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0\n" /* invalidate I,D TLBs on v4 */
10 /* Load page table pointer */
11 "mov r4, %0\n"
12 "mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0\n" /* load page table pointer */
13 /* Write domain id (cp15_r3) */
14 "mvn r0, #0\n" /* Domains 0b01 = client, 0b11=Manager*/
15 "mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"
/* load domain access register，write domain 15:0, 用戶手冊P548(access permissions)*/
16 /* Set control register v4 */
17 "mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* get control register v4 */
/*數(shù)據手冊P545：read control register */
18 /* Clear out 'unwanted' bits (then put them in if we need them) */
19 /* ..VI ..RS B... .CAM */ /*這些位的含義在數(shù)據手冊P546*/
20 "bic r0, r0, #0x3000\n" /* ..11 .... .... .... */
/*I(bit[12])=0 = Instruction cache disabled*/
21 /*V[bit[13]](Base location of exception registers)=0 = Low addresses = 0x0000 0000*/
22 "bic r0, r0, #0x0300\n" /* .... ..11 .... .... */
23 /*R(ROM protection bit[9])=0*/
/*S(System protection bit[8])=0*/
/*由于TTB中AP=0b11(line141)，所以RS位不使用(P579)*/
24 "bic r0, r0, #0x0087\n" /* 0x0000000010000111 */
/*M(bit[0])=0 = MMU disabled*/
/*A(bit[1])=0 =Data address alignment fault checking disable*/
/*C(bit[2])=0 = Data cache disabled*/
/*B(bit[7])=0= Little-endian operation*/
25 /* Turn on what we want */
26 /* Fault checking enabled */
27 "orr r0, r0, #0x0002\n" /* .... .... .... ..10 */
/*A(bit[1])=1 = Data address alignment fault checking enable*/
28 #ifdef CONFIG_CPU_D_CACHE_ON /*is not set*/
29 "orr r0, r0, #0x0004\n" /* .... .... .... .100 */
/*C(bit[2])=1 = Data cache enabled*/
30 #endif
31 #ifdef CONFIG_CPU_I_CACHE_ON /*is not set*/
32 "orr r0, r0, #0x1000\n" /* ...1 .... .... .... */
/*I(bit[12])=1 = Instruction cache enabled*/
33 #endif
34 /* MMU enabled */
35 "orr r0, r0, #0x0001\n" /* .... .... .... ...1 */
/*M(bit[0])=1 = MMU enabled*/
36 "mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* write control register */
/*數(shù)據手冊P545*/
37 : /* no outputs */
38 : "r" (ttb) );
39 }
4、Step 4：heap_init()
第4步調用了heap_init(void)函數(shù)，并返回值。該值是函數(shù)heap_init()調用的mmalloc_init()函數(shù)的返回值。其實，這步就是申請一塊內存區(qū)域。
[lib/heap.c->heap_init(void)]
1 int heap_init(void)
2 {
3 return mmalloc_init((unsigned char *)(HEAP_BASE), HEAP_SIZE);
4 }
內存動態(tài)分配函數(shù)mmalloc就是從heap(堆)中劃出一塊空閑內存。相應的mfree函數(shù)則將動態(tài)分配的某塊內存釋放回heap中。
heap_init 函數(shù)在SDRAM中指定了一塊1M大小的內存作為heap(起始地址HEAP_BASE = 0x33e00000)，并在heap的開頭定義了一個數(shù)據結構blockhead。事實上，heap就是使用一系列的blockhead數(shù)據結構來描述和操作的。每個blockhead數(shù)據結構對應著一塊heap內存，假設一個blockhead數(shù)據結構的存放位置為A，則它對應的可分配內存地址為“A + sizeof(blockhead)”到“A + sizeof(blockhead) + size - 1”。blockhead數(shù)據結構在lib/heap.c中定義：
1 typedef struct blockhead_t {
2 int32 signature; //固定為BLOCKHEAD_SIGNATURE
3 bool allocated; //此區(qū)域是否已經分配出去：0-N，1-Y
4 unsigned long size; //此區(qū)域大小
5 struct blockhead_t *next; //鏈表指針
6 struct blockhead_t *prev; //鏈表指針
7 } blockhead;
現(xiàn)在來看看heap是如何運作的(如果您不關心heap實現(xiàn)的細節(jié)，這段可以跳過)。vivi對heap的操作比較簡單，vivi中有一個全局變量 static blockhead *gHeapBase，它是heap的鏈表頭指針，通過它可以遍歷所有blockhead數(shù)據結構。假設需要動態(tài)申請一塊sizeA大小的內存，則 mmalloc函數(shù)從gHeapBase開始搜索blockhead數(shù)據結構，如果發(fā)現(xiàn)某個blockhead滿足：
(1) allocated = 0 //表示未分配
(2) size > sizeA，則找到了合適的blockhead，
滿足上述條件后，進行如下操作：
a.allocated設為1
b.如果size – sizeA > sizeof(blockhead)，則將剩下的內存組織成一個新的blockhead，放入鏈表中
c.返回分配的內存的首地址釋放內存的操作更簡單，直接將要釋放的內存對應的blockhead數(shù)據結構的allocated設為0即可。
heap_init函數(shù)直接調用mmalloc_init函數(shù)進行初始化，此函數(shù)代碼在lib/heap.c中，比較簡單，初始化gHeapBase即可：
[main(int argc, char *argv[]) > heap_init(void) > mmalloc_init(unsigned char *heap, unsigned long size)]
1 static inline int mmalloc_init(unsigned char *heap, unsigned long size)
2 {
3 if (gHeapBase != NULL) return -1;
4 DPRINTK("malloc_init(): initialize heap area at 0x%08lx, size = 0x%08lx\n", heap, size);
5 gHeapBase = (blockhead *)(heap);
6 gHeapBase->allocated=FALSE;
7 gHeapBase->signature=BLOCKHEAD_SIGNATURE;
8 gHeapBase->next=NULL;
9 gHeapBase->prev=NULL;
10 gHeapBase->size = size - sizeof(blockhead);
11 return 0;
12 }
static blockhead *gHeapBase = NULL; 這個就是上面稱贊的全局變量了，定義在lib/heap.c中。上面就是個鏈表操作，數(shù)據結構，看來搞這個也得好好學數(shù)據結構啊，不然內存搞的溢出、浪費可就哭都來不及了。
5、Step 5：mtd_dev_init()
所謂MTD(Memory Technology Device)相關的技術。在linux系統(tǒng)中，我們通常會用到不同的存儲設備，特別是FLASH設備。為了在使用新的存儲設備時，我們能更簡便地提供它的驅動程序，在上層應用和硬件驅動的中間，抽象出MTD設備層。驅動層不必關心存儲的數(shù)據格式如何，比如是FAT32、ETX2還是FFS2或其它。它僅僅提供一些簡單的接口，比如讀寫、擦除及查詢。如何組織數(shù)據，則是上層應用的事情。MTD層將驅動層提供的函數(shù)封裝起來，向上層提供統(tǒng)一的接口。這樣，上層即可專注于文件系統(tǒng)的實現(xiàn)，而不必關心存儲設備的具體操作。這段亂七八糟的話也許比較讓人暈，也可以這樣理解在設備驅動(此處指存儲設備)和上層應用之間還存在著一層，共三層，這個中間層就是MTD技術的產物。通?？梢詫⑺暈轵寗拥囊徊糠郑凶錾蠈域寗?，而那些實現(xiàn)設備的讀、寫操作的驅動稱為下層驅動，上層驅動將下層驅動封裝，并且留給其上層應用一些更加容易簡單的接口。
在我們即將看到的代碼中，使用mtd_info數(shù)據結構表示一個MTD 設備，使用nand_chip數(shù)據結構表示一個nand flash芯片。在mtd_info結構中，對nand_flash結構作了封裝，向上層提供統(tǒng)一的接口。比如，它根據nand_flash提供的 read_data(讀一個字節(jié))、read_addr(發(fā)送要讀的扇區(qū)的地址)等函數(shù)，構造了一個通用的讀函數(shù)read，將此函數(shù)的指針作為自己的一個成員。而上層要讀寫flash時，執(zhí)行mtd_info中的read、write函數(shù)即可。
mtd_dev_init()用來掃描所使用的 NAND Flash的型號，構造MTD設備，即構造一個mtd_info的數(shù)據結構。對于S3C2410來說，它直接調用mtd_init()，mtd_init 又調用smc_init()，此函數(shù)在drivers/mtd/maps/s3c2410_flash.c中：
[main(int argc,char *argv[])>mtd_dev_init()>mtd_init()]
1 int mtd_init(void)
2 {
3 int ret;
4 #ifdef CONFIG_MTD_CFI /*is not set*/
5 ret = cfi_init();
6 #endif
7 #ifdef CONFIG_MTD_SMC9 /* =y */
8 ret = smc_init();
9 #endif
10 #ifdef CONFIG_S3C2410_AMD_BOOT /*is not set*/
11 ret = amd_init();
12 #endif
13 if (ret) {
14 mymtd = NULL;
15 return ret;
16 }
17 return 0;
18 }
顯而易見，該函數(shù)應取第二項，這項在autoconf.h中定義了。
[main(int argc, char *argv[]) > mtd_dev_init() > mtd_init() > smc_init()]
1 static int
2 smc_init(void)
3 {
/*struct mtd_info *mymtd，數(shù)據類型在include/mtd/mtd.h*/
/*strcut nand_chip在include/mtd/nand.h中定義*/
4 struct nand_chip *this;
5 u_int16_t nfconf;
/* Allocate memory for MTD device structure and private data */
6 mymtd = mmalloc(sizeof(struct mtd_info) + sizeof(struct nand_chip));
7 if (!mymtd) {
8 printk("Unable to allocate S3C2410 NAND MTD device structure.\n");
9 return -ENOMEM;
10 }
/* Get pointer to private data */
11 this = (struct nand_chip *)(&mymtd[1]);
/* Initialize structures */
12 memset((char *)mymtd, 0, sizeof(struct mtd_info));
13 memset((char *)this, 0, sizeof(struct nand_chip));
/* Link the private data with the MTD structure */
14 mymtd->priv = this;
/* set NAND Flash controller */
15 nfconf = NFCONF;
/* NAND Flash controller enable */
16 nfconf |= NFCONF_FCTRL_EN;
/* Set flash memory timing */
17 nfconf &= ~NFCONF_TWRPH1; /* 0x0 */
18 nfconf |= NFCONF_TWRPH0_3; /* 0x3 */
19 nfconf &= ~NFCONF_TACLS; /* 0x0 */
20 NFCONF = nfconf;
/* Set address of NAND IO lines */
21 this->hwcontrol = smc_hwcontrol;
22 this->write_cmd = write_cmd;
23 this->write_addr = write_addr;
24 this->read_data = read_data;
25 this->write_data = write_data;
26 this->wait_for_ready = wait_for_ready;
/* Chip Enable -> RESET -> Wait for Ready -> Chip Disable */
27 this->hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE);
28 this->write_cmd(NAND_CMD_RESET);
29 this->wait_for_ready();
30 this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRNCE);
31 smc_insert(this);
32 return 0;
33 }
6 -14行構造了一個mtd_info結構和nand_flash結構，前者對應MTD設備，后者對應nand flash芯片(如果您用的是其他類型的存儲器件，比如nor flash，這里的nand_flash結構應該換為其他類型的數(shù)據結構)。MTD設備是具體存儲器件的抽象，那么在這些代碼中這種關系如何體現(xiàn)呢——第 14行的代碼把兩者連結在一起了。事實上，mtd_info結構中各成員的實現(xiàn)(比如read、write函數(shù))，正是由priv變量所指向的 nand_flash的各類操作函數(shù)(比如read_addr、read_data等)來實現(xiàn)的。
15-20行是初始化S3C2410上的 NAND FLASH控制器。前面分配的nand_flash結構還是空的，現(xiàn)在當然就是填滿它的各類成員了，這正是21-26行做的事情。27-30行對這塊 nand flash作了一下復位操作。最后，也是最復雜的部分，根據剛才填充的nand_flash結構，構造mtd_info結構，這由31行的 smc_insert函數(shù)調用smc_scan完成。
這才是VIVI啟動的第5步，還有三步就完成了啟動了，同時我的這篇閱讀筆記也就OVER了。
工商網監(jiān)
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