計算機組成原理 第2版 課件 第6章 總線_第1頁
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文檔簡介

第六章總線2※主要內容⑴總線概述

分類,特性(4點),性能指標,操作過程(連接/步驟)⑵總線的仲裁類型—集中式仲裁(3種方式)、分布式仲裁(×)

內容—基本思想,信號線連接,仲裁時機、仲裁方法⑶總線的定時與傳輸定時方式(3種),傳輸模式(功能/步驟表示),總線標準(×)⑷總線的結構與互連(×)

總線結構(單/雙/多),總線互連(方法/接口電路功能)※總體要求:理解總線操作的組織方法(過程/仲裁/定時/功能表示)3§6.1總線概述

*部件的連接方式:分散連接、總線連接

特點—分散連接:

總線連接:

通信性能好(同時通信),可擴展性差☆可擴展性好,通信性能略差(分時通信)

└→同時通信概率較低

*總線:指連接多個設備用于信息傳輸?shù)囊唤M公共信號線

同時發(fā)送信息的設備≤1個←┘

└→各設備出端通過三態(tài)門連接總線←┘

*總線事務:指總線上一對設備之間的一次信息交換過程

組成—一系列交互操作(如送地址/命令、響應、傳送、結束)特征—主設備發(fā)起、從設備響應(類比撥/接電話者)

※主要內容:總線的分類、特性、性能指標、操作過程I/O設備1I/O設備n…CPU主存I/O設備1I/O設備nCPU主存…41、按信號線功能分類

*數(shù)據總線(DBus):

*地址總線(ABus):

*控制總線(CBus):一、總線的分類承載傳送的數(shù)據,雙向傳輸線

數(shù)據總線寬度=同時傳送的二進制位數(shù)指明從設備(主存或外設)地址,單向傳輸線

地址總線寬度=log2(可尋址的地址個數(shù))

分類方式有多種,如并行/串行總線、同步/異步總線

控制傳輸過程,單向傳輸線

└←使用DBus及ABus實現(xiàn)

類型—控制信號線(主設備發(fā)出)、狀態(tài)信號線(從設備發(fā)出)

示例—MEM讀、MEM寫(操作控制),

就緒、完成(操作狀態(tài)),

時鐘(步驟定時),總線請求、總線允許(總線使用權管理)52、按連接部件分類

*片內總線:

*系統(tǒng)總線:

*通信總線:

*系統(tǒng)總線的發(fā)展:多總線結構

←提高傳輸性能

示例—由HOST總線、I/O總線組成,通過總線橋實現(xiàn)互連

└←即主機總線,又稱CPU-主存總線用于連接芯片內部的元器件,只含數(shù)據線用于連接計算機的主要部件(CPU/主存/外設),

含地址總線、數(shù)據總線、控制總線用于連接外設或其它系統(tǒng),含數(shù)據線[及控制線]主存I/O接口1外設1I/O接口n外設n…ALUCUBIUCPU系統(tǒng)總線ABusDBusCBus橋HOST總線I/O總線

*物理特性:

*功能特性:

*電氣特性:

*時間特性:

(邏輯特性)6二、總線的特性

指信號線上信號的傳遞方向、電平有效范圍電平約定—地址/數(shù)據線為1、0,控制線為有效、無效

電平表示—單端方式(如TTL)、差分方式(如USB)指傳輸過程中,各信號線上信號有效的時序指信號線的連接特性,如線的類型、數(shù)量、線距等指各信號線的功能,如地址線、數(shù)據線、時鐘線等表示值可任意(未使用)主設備從設備i…………從設備j…CLKABusDBusCBus(RD)地址數(shù)據CLKABusDBusCBus(WR)地址數(shù)據指信號電平保持在有效范圍內時,所能連接的設備數(shù)量,常用個表示

*總線寬度:

*總線帶寬:

同步總線的帶寬—*總線負載能力:7三、總線的性能指標指數(shù)據總線的位數(shù),常用bit表示指總線的最大數(shù)據傳輸率,常用Mbps(Mb/s)表示數(shù)據傳輸率—=總線寬度×數(shù)據傳輸次數(shù)/秒

工作頻率“最大”的含義—

例—某32位同步總線的時鐘頻率為100MHz,一次數(shù)據傳輸過程需要4個時鐘周期,其中僅用1個時鐘周期傳輸1個數(shù)據,則該總線的數(shù)據傳輸率=32bit×(100MHz/4)=800Mbps,帶寬=32bit×(100MHz/1)=3.2Gbps。若需將該總線帶寬提高一倍,有哪些方法?B

=w×f

/m總線寬度

總線時鐘頻率

每個數(shù)據傳送所需時鐘周期數(shù)工作頻率中,不考慮非數(shù)據傳輸操作的時間(如地址傳送等)8四、總線的操作過程

*術語:

總線操作—指總線上完成一次數(shù)據傳輸?shù)乃胁僮?總線仲裁+總線傳輸)

總線事務—指總線上一對設備間一次數(shù)據傳輸?shù)乃胁僮?不含總線仲裁)總線傳輸周期總線周期主設備1空閑總線使用權:主設備2空閑總線傳輸周期總線周期仲裁總線傳輸仲裁總線傳輸3

*設備的連接:連接相應傳輸信號線

總線使用權的管理方式—

,增設總線仲裁器常采用請求-分配方式主設備1主設備2從設備1從設備2總線仲裁器(控制器)BR1BG1BR2BG2BR—BusRequestBG—BusGrant

*總線的操作過程:(每個階段都是一次交互)

①請求及分配階段—(常稱仲裁階段)各個主設備:

總線仲裁器:9有操作需求時,發(fā)出總線請求信號BRi確定下個總線傳輸周期的總線使用權歸屬,向所選主設備發(fā)出總線允許信號BGj總線傳輸周期總線周期主設備1主設備1請求BR1主設備2請求BR2主設備1允許BG1主設備2允許BG2總線使用權總線仲裁器主設備空閑主設備2空閑空閑總線傳輸周期總線周期

仲裁時機:有總線請求、總線空閑時└→傳輸結束時應撤銷請求10②尋址階段—

獲得總線使用權的主設備:

所有從設備:

③傳送數(shù)據階段—

傳送時機:

④結束階段—

結束時機:發(fā)出目標地址和操作命令判斷是否被選中,被選中時響應總線操作地址x數(shù)據a地址期數(shù)據期總線傳輸周期

主、從設備各自發(fā)送/接收數(shù)據源設備準備就緒(讀時用ACK表示、寫時用WR表示)主、從設備各自恢復所控信號線的狀態(tài)(為高阻)目設備接收完畢(讀時用RD表示、寫時用ACK表示)主設備1允許BG1主設備2允許BG2地址總線數(shù)據總線讀命令線RD寫命令寫WR狀態(tài)線ACK系統(tǒng)總線總線仲裁器11

思考:總線操作過程中,從設備不參與哪些階段?

*總線仲裁的性能優(yōu)化:(傳統(tǒng)方法的傳輸周期不連續(xù))

隱藏式仲裁—地址x數(shù)據a總線傳輸周期總線周期地址y總線傳輸

隱藏式仲裁的實現(xiàn)需求—

仲裁器需監(jiān)視總線操作狀態(tài)、仲裁時延需固定

└→確定何時開始→──┘

└←保證按時結束主設備1允許BG1主設備2允許BG2地址總線數(shù)據總線讀命令線RD寫命令寫WR狀態(tài)線ACK系統(tǒng)總線總線仲裁器

*總線操作相關技術:仲裁方法、定時方式、傳輸模式總線仲裁與總線傳輸重疊1、鏈式查詢方式

*基本思想:*仲裁線連接:

信號線設置—

仲裁線連接—

總線使用權歸屬的表示—12§6.2總線仲裁一、集中式仲裁--有統(tǒng)一的總線仲裁器BSi=1時i獲得(傳輸結束時i應使BSi=0)

※主要內容:3種方式的基本思想、仲裁線連接、仲裁時機、仲裁方法自動輪詢各個主設備,被詢問時才可獲得使用權(有人舉手、沒人發(fā)言時,將話筒交給第一排,沒舉手時自動向后傳)

(BusRequest、BusGrant、BusyState)

BR、BG,需BS(總線忙)支持←BS∈CBus類比場景:學生舉手發(fā)言時,老師如何給出話筒?9主設備0主設備1主設備n-1DBusABusCBus…總線仲裁器BGBSBRBR=∑BRi,BG(i+1)IN=BGiOUT

13

*仲裁時機:

*仲裁方法:

*仲裁實現(xiàn):仲裁器—

主設備—BS=0、BR=1時開始仲裁(使BG←1),

←有請求時BS=1(已分配)時結束仲裁(使BG←0)←僅1個BSi=1自動輪詢各個主設備、主設備自行裁決,裁決算法為被詢問、有請求時獲得使用權(使BSi=1)BG=BS·BRBSi=BGiIN·BRi、BGiOUT=BGiIN·BRi

被詢問、無請求時傳遞詢問權

*特點:靜態(tài)優(yōu)先級策略,易產生斷鏈現(xiàn)象

∑BRi=

BR

BR0

BR1

BS·BR=

BG

BG=

BG0INBG0IN

·BR0=

BG0OUT

BG0OUT=

BG1IN

∑BSi=

BSBG0IN

·BR0=

BS0BG1IN

·BR1=

BS1142、計數(shù)器定時查詢方式--鏈式查詢方式的改進

*基本思想:定時查詢各個主設備,被詢問時才可獲得使用權(有人舉手、沒人發(fā)言時,開始報學號,5s沒應答時報下個學號)

*仲裁線連接:

*特點:靜態(tài)或循環(huán)優(yōu)先級策略(k=0或i+1),無斷鏈現(xiàn)象*仲裁時機:

*仲裁方法:

*仲裁實現(xiàn):仲裁器—主設備—同鏈式查詢方式,開始時使DevNo=k(如0),

結束時使DevNo=error(如2m-1)BS·BR=1時,每隔Δt使DevNo=DevNo+1BSi=(DevNo=i)·BRi

12

定時查詢各個主設備、主設備自行裁決,裁決算法為DevNo=ID、有請求時獲得使用權(使BSi=1)無請求時BS不變信號線有BR、設備號DevNo,需BS支持總線仲裁器DevNo主設備0主設備1主設備n-1BSBRDBusABusCBus…

作業(yè)6-1:P258—

3、4、6153、獨立請求方式

*基本思想:每個主設備有一根請求線,根據連接次序仲裁

*仲裁線連接:信號線有n對BR及BG,需CBus中狀態(tài)線支持

*仲裁時機:

*仲裁方法:

*仲裁實現(xiàn):∑BRi=1、總線空閑時開始,BGi=1時結束總線仲裁器統(tǒng)一裁決(不需要主設備參與),裁決算法可為任意算法(使BGi=1)

*特點:動態(tài)優(yōu)先級策略,可實現(xiàn)隱藏式仲裁,仲裁線多總線仲裁器內部電路實現(xiàn)(時延固定)1311總線仲裁器主設備0主設備1主設備n-1BRnBGnDBusCBusABus…BR1BG1BR0BG0

*仲裁時機:

*仲裁方法:

*特點:16二、分布式仲裁--無統(tǒng)一的總線仲裁器(不考)1、自舉式

*基本思想:優(yōu)先級用請求線表示,仲裁時檢查高優(yōu)先級請求線

*仲裁線連接:各主設備(≤n個)按優(yōu)先級連接一部分仲裁總線(高優(yōu)先級請求線)靜態(tài)優(yōu)先級策略,仲裁線較多,不易擴展每個主設備有自己的仲裁號(唯一)及仲裁器(使用仲裁總線)對于仲裁器i,BS·BRi=1時開始,BS=1時結束對于仲裁器i,所連∑BRk=0時獲得使用權(使BSi←1)思考:哪個主設備優(yōu)先級最高?主設備1BSBR1…BRn………仲裁器1…主設備2仲裁器2…主設備n仲裁器n仲裁總線

*仲裁時機:

*仲裁方法:

*仲裁實現(xiàn):

*特點:同自舉式,BS·BRi=1時開始,BS=1時結束逐位發(fā)送cn并與bn比較,都相等時獲使用權(使BSi←1)靜態(tài)優(yōu)先級策略,仲裁線較少,易擴展線或的實現(xiàn)方法172、競爭式

*基本思想:優(yōu)先級用仲裁號表示,仲裁時逐位競爭、敗者退出

*類型:有并行競爭、串行競爭2種,基于仲裁號的產生方式……

主設備i…≥1主設備j&&bn7C7≥1&&bn6C6…≥1&&bn0C0C1cn7cn6cn0CR1仲裁器i仲裁器jBSAB7…AB0仲裁總線注:cn為主設備仲裁號,bn為總線上仲裁號,CR為仲裁結果*并行競爭仲裁線連接:各主設備(≤2n個)連接所有仲裁總線(與門)(與非門)(或門)

(不等時發(fā)1[邏輯0])18§6.3總線的定時與傳輸一、總線定時方式總線傳輸協(xié)議—指總線事務中操作及時序的約定1、同步定時方式

*定時原理:通過統(tǒng)一的時鐘信號CLK實現(xiàn),各步驟時長固定

*同步傳輸協(xié)議:各個步驟都以CLK為基準(=k*CLK、k為常數(shù))

*應用特點:適合設備速度相近、距離較短的數(shù)據傳輸T1

T2T3

T4A1D1時鐘線CLK地址總線數(shù)據總線控制線RD#控制線WR#T1

T2T3

T4A1D1時鐘線CLK地址總線數(shù)據總線控制線RD#控制線WR#※約定:用#表示低電平有效(PCI總線的用法),RD#即RD

※主要內容:定時方式(3種)、傳輸模式(功能),總線標準(×)192、異步定時方式

*定時原理:通過聯(lián)絡信號的握手(應答)實現(xiàn),各步驟時長可變

定時過程—*異步傳輸協(xié)議:各步驟都采用異步定時方式有請求、響應、撤消請求、撤消響應4個階段請求信號Req

應答信號Ack①一次異步定時②③④

*應用特點:對設備速度、傳輸距離無要求,傳輸周期較長(握手次數(shù)過多)傳送地址/命令

操作中傳送數(shù)據地址總線數(shù)據總線RdReqRdAckWrReqAck操作步驟①③地址數(shù)據⑥⑧②④⑤⑦從設備操作時延(無需④后開始)

特點—傳輸速度、傳輸可靠性有所不同20

*異步定時的應答方式:全互鎖、半互鎖、不互鎖方式Req

Ack①②Req

Ack①Req

Ack

*異步傳輸協(xié)議示例:起止式異步串行通信協(xié)議

(面向字符傳送、不互鎖應答方式、無聯(lián)絡信號)約定的時延需約定時延(波特率)需約定格式1

1010/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1一個字符或空閑停止位起始位校驗位停止位(低)數(shù)據位(高)0/1或空閑起始位下個字符或空閑需設置起始位/停止位3、半同步定時方式

*定時原理:

*半同步傳輸協(xié)議:21通過時鐘信號、聯(lián)絡信號的握手共同實現(xiàn),以時鐘周期為基準(基礎為同步)、各步驟時長可變各步驟都以CLK為基準,步驟時延可以延長(=k*CLK、k為變量)

*應用特點:適合距離較短的數(shù)據傳輸,對設備速度無要求18優(yōu)化—主設備、從設備都允許采用異步方式(如PCI總線的定時信號有時鐘CLK、主就緒IRDY、從就緒TRDY)T1

T2T3

T4

T1T2

TWTWT3

T4A1A2D1D2時鐘CLK地址總線數(shù)據總線控制線RD#就緒Ready22二、總線傳輸模式*總線傳輸需求:

*總線傳輸模式:設備個數(shù)、操作類型、尋址范圍、數(shù)據位數(shù)(一對一/多)(讀/寫/讀改寫)(單/雙地址)

(常規(guī)/突發(fā))指總線支持的傳輸操作類型

(幾種)傳輸功能表示--總線事務類型操作步驟約定--總線傳輸協(xié)議PCI總線的事務類型MEM讀、MEM寫—MEM空間的一個或多個數(shù)據(用MEM單元地址)I/O讀、I/O寫—I/O空間的一個數(shù)據(用I/O端口地址)配置讀、配置寫—配置空間的一個數(shù)據

(用配置空間地址)MEM行讀—MEM空間的一個SCache行的數(shù)據(如Cache缺失)MEM多行讀—MEM空間的多個SCache行的數(shù)據(如DMA傳送)MEM寫并無效—主存空間一個SCache行的數(shù)據,通知CPU作廢該行中斷響應—從中斷控制器讀中斷類型號,(隱含尋址)雙地址周期—地址期為2個時鐘周期(操作類型在第2個時鐘周期)特殊周期—向外設通報CPU的工作狀態(tài),地址無效(廣播模式)23

例—某32位半同步總線的時鐘頻率為100MHz;MEM讀總線事務支持突發(fā)傳輸模式,傳輸協(xié)議包含傳送地址/命令、等待響應、傳送數(shù)據3個階段,每個時鐘周期可傳送1個地址/命令或1個數(shù)據。若主存由采用交叉訪問方式的4體交叉存儲器組成,存儲體的存取周期為36ns,則通過該總線從主存讀取32B數(shù)據最少需要多少時間?3-50

解—①一次訪存可訪問≤

a個數(shù)據、數(shù)據傳送間隔≥b

ns,則a=

,b=

;訪存信號與CLK同步時,TA=

②訪存時,不同體的I/O與存取是重疊的(與CLK同步),

MEM讀總線事務的信號時序如下圖,

Ttran=

③讀32B數(shù)據需要≥[32B/(a*32b)]=2個總線事務,則

T≥2*()*TCLK=

TCLK=ns

思考—若存儲體的存取周期為72ns,T=?340ns1+

36/TCLK

+a*

b/TCLK

18

180{

36/TCLK

+(a-1)*

b/TCLK}*TCLK

如何實現(xiàn)<、>?4

36/a=81+36/TCLK+(a-1)*

b/TCLK

+b/TCLK

24TA

TwTw

Tw

TwTD

TDTDTD

A1時鐘線CLK地址總線(16b)數(shù)據總線(8b)控制線RD#控制線WR#地址引腳(15b)數(shù)據引腳(8b)控制引腳WE#片選引腳CS#M0CS#M1CS#M2CS#M3CS#BUSMEM傳輸周期A1

思考1—若信號發(fā)送都與CLK上升沿同步,考慮信號傳輸時延時,信號接收(采樣)應在何時?思考2—若MEM地址從0開始,則CS#的有效邏輯?CS#=(RD#WR#)·A15#常在CLK下降沿時傳輸數(shù)據需要1個CLKD1D2D3D4啟動延遲=

TM/4

解題時常忽略存取周期(體)D1D2D3D4*訪問空間:(功能特性)*總線仲裁:

*總線定時:

*總線事務:25三、總線標準

(不考,用作總線組成示例)*總線標準:設備連接和傳輸時,應遵守的協(xié)議與規(guī)范(即4種特性)1、ISA總線

(IndusryStandardArchitecture)

16位半同步總線,96根信號線(16D+24A),信號電平為5VMEM地址空間為16M,I/O地址空間為64K;數(shù)據寬度為8/16位(用信號SHBE控制)主設備有CPU、DMA設備(≤8個),仲裁由CPU實現(xiàn)(鏈式)半同步定時方式(用OWS#聯(lián)絡),時鐘頻率為8MHz7種類型,總線傳輸周期≥4個時鐘周期

└→MEM讀/寫、I/O讀/寫、中斷響應、DMA傳送、MEM刷新21*訪問空間:

*總線仲裁:

*總線定時:

*總線事務:262、PCI總線(PeripheralComponentInterconnect,外圍部件互連)

32位半同步總線,100根信號線(A/D復用),信號電平為5V、3.3VMEM、I/O地址空間均為4G,(每個)配置空間為64;數(shù)據寬度為8/16/32位(用數(shù)據期的C/BE[3:0]控制)支持多個主設備(不區(qū)分是否為CPU),仲裁由仲裁器實現(xiàn)(獨立請求式),可隱藏式仲裁半同步定時方式,時鐘頻率有33.3MHz、66.6MHz12種類型,傳輸周期可變(突發(fā)+半同步)總線時鐘CLK幀周期FRAME#地址/數(shù)據AD[31:0]命令C/BE[3:0]主就緒IRDY#從就緒TRDY#設備選擇DEVSEL#地址期

過渡期

數(shù)據期數(shù)據期

數(shù)據期

數(shù)據期T1

T2T3

T4

T5T6T7A1讀D1字節(jié)使能D2D3D42221273、串行總線

*并行總線的缺點:速率有限(線間信號需同步、有干擾)、距離短

*串行總線的優(yōu)勢:

*設備互連方法:速率高、距離長,靈活性大,可并行傳輸(位間信號易處理)(幀格式可變)(多個串行總線)并行總線為共享互連,串行總線常為點點互連(分時通信)(可同時通信)*QPI(QuickPathInterconnect)總線:點對點的全雙工

同步串行總線

↑(同時雙向)(多個字節(jié))

└建立鏈路、n次傳輸、斷開鏈路每個方向20位信號線(16b數(shù)據+4b其他),信號采用同步方式定時、差分方式表示每幀有80位信息,傳送需2個時鐘周期(2次/CLK)f=3.2GHz時,B=[16b×(3.2GHz/0.5)]×2=25.6GB/s限制了CLK頻率I/OHubQPICPUCPU主存主存…PCI20收齊后才算完成信號線—傳送方式—總線帶寬—*單總線結構的特征:

*提高傳輸性能的方法:28§6.4總線互連結構一、總線結構(不考,了解概念)1、單總線結構

*單總線結構:指CPU、主存、外設通過一條總線互連

系統(tǒng)總線—連接CPU、主存等主要部件的總線①操作控制簡單,可擴展性較強②傳輸性能較差(時鐘頻率=min{部件速度})CPU主存控制器顯卡…系統(tǒng)總線(如ISA總線)I/O插槽內存條鍵盤接口…I/O插槽LCD鍵盤擴展卡…增加傳輸并行性、提高總線帶寬(并行通信[如多總線])(多總線/集成電路)

※主要內容:總線結構(△)、總線互連(△)292、多總線結構(1)雙總線結構

*以CPU為中心的雙總線結構:通過CPU的BIU互連優(yōu)點—缺點—

*以MEM為中心的雙總線結構:優(yōu)點—缺點—通過總線橋互連CPU核心主存…后端總線BIUL2CacheL1CacheCPU芯片前端總線FSB傳輸速率高(同時訪問、2種速度)

└非并行通信兩組總線接口,僅適于CPU…CPU主存IO橋顯卡HOST總線(CPU-主存總線)I/O總線串口并口網卡傳輸速率高(設備與總線匹配)適于所有主設備,接口通用無法并行通信(訪存)

總線橋功能—①所管轄總線的總線控制器(仲裁器、操作中轉)②所連接總線的主/從設備(發(fā)起/響應總線操作)30※總線命名方法:可以按應用功能、按總線標準,不統(tǒng)一

按應用功能—

按總線標準—PCI、ISA、AGP總線等,PCIExpress、QPI、InfiniBand總線等,USB、SCSI、IEEE1394、CAN總線等HOST總線、I/O總線,MEM總線、CPU總線等MEM總線主存控制器顯卡…內存條LCD…內存條HOST總線(CPU-主存總線、前端總線FSB、主機總線)CPU1IO橋I/O總線CPU0CPU總線HOST橋

掃盲:USB(UniversalSerialBus)總線有幾根數(shù)據信號線?是串行/并行總線?信號電平的表示方法?31(2)多總線結構*三總線結構:有細分設備速度、連接多個CPU等多種方法主存CPUHOST總線…并口串口顯卡AGP橋視頻卡AGP總線網卡PCI橋ISA橋PCI總線ISA總線……CPU總線主存CPU0…并口串口顯卡網卡I/O橋I/O總線…CPU1CacheHOST橋HOST總線

*南北橋結構:集成電路技術(提高帶寬)、網絡技術(并行通信)開關矩陣APG接口主存控制器Hub接口CPU接口北橋內存條CPU0高速接口CPU總線PCI總線北橋MCHCPU1南橋IOH…PCIExpress接口MEM總線顯卡LAN連接器USB連接器固件內存條MEM總線內存條內存條…通用I/O連接器中斷請求線AGP插槽⑴總線側操作控制—

⑵信息緩沖—32二、總線互連(不考,了解概念)

*連接總線的方法:通過總線接口電路(轉換電路)實現(xiàn)速度/格式/時序/電平等←┘

*總線接口電路的功能:中轉對設備的操作(先收下、再轉發(fā))

(按照總線標準)

←接收操作信息

偵測總線狀態(tài)(空閑/地址期/數(shù)據期);

決定是/否發(fā)起或響應總

溫馨提示

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