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第三章总线
第3章总线
【内容提要】总线是计算机各部件之间传送信息的公共通路。
计算机利用总线结构可以方便的实现CPU与内存、外设之间的数据传送与通讯。
本章首先介绍了总线的基本概念,然后围绕着总线的基本功能,论述了总线基本工作原理。
最后介绍了总线中的系统总线和通讯总线,以加深我们对总线的进一步了解和认识,为最终掌握总线以及正确使用总线打下良好的基础。
【重点难点提示】本章的重点是在理解总线的基本概念的基础上,结合第二章总线操作时序,掌握总线的基本功能和工作原理,掌握常用系统总线和通讯总线的工作特点和使用方法。
在众多的微机总线中,PCI总线、AGP总线及USB总线是当前总线中的主流,因此,这三种总线更是我们必须要掌握的内容。
在本章,总线的基本组成、总线操作时序、总线基本工作原理是难点,需要在学习中在理解的基础上加以掌握。
§3.1总线的基本概念
3.1.1总线的定义
微型计算机是由若干系统部件组成,这些系统部件连在一起工作才能形成一个完整的计算机系统。
总线是连接计算机硬件的钮带,是计算机各功能模块之间传递信息的公共通路。
连接在总线上的各个部件通过分时共享总线,来实现各模块间的信息传递和通讯。
因此,总线是计算机系统中的一个非常重要的部件,是计算机系统硬件结构的基础,总线的设计在很大程度上影响系统配置的灵活性、可靠性、成本和性能。
由于总线在系统中的重要地位,微机系统的设计和开发人员先后推出许多种总线标准,各个部件生产厂商按照总线标准独立设计其不同特色的各个板卡组件,微机用户通过选择对应总线的部件并挂接到总线上,就可以很方便的构成一台计算机。
图3-1就是在总线方式下的微型计算机的典型结构图。
图3-1总线方式下的微型计算机的典型结构
3.1.2总线的作用
微型计算机是由若干系统部件组成,这些系统部件连接在一起相互协调工作,才能形成一个完整的计算机系统,才能为用户服务。
总线在计算机系统的组成和工作中主要起两个作用:
一是连接纽带作用。
通过总线上留出的总线接口,可以很方便地实现计算机各部件间的连接。
微机采用总线结构,不仅便于硬件连接,而且便于系统扩展。
二是信息传递的作用。
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路,连接在总线上的各个部件通过分时共享总线这个信息公共通路资源,来实现各模块间的信息传递与通讯,计算机工作的过程,实质就是数据流通过总线在各个部件间流动过程。
3.1.3总线的特点
总线是一组能为多个部件公时共享的公共信息线路,因此,分时和共享是总线的两个特点。
共享:
是指总线上可以挂接多个部件,各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线路传送。
总线上的部件有的是用于向总线上发送信息的,这个部件就为发送部件;有些部件是用于从总线上接收信息的,这些部件就为接收部件;有些部件既可作为发送部件用,也可作为接收部件用,但只能分时进行。
发送部件将信息送往总线,总线再将信息传送到需要接收信息的部件。
由于挂接在总线上的发送部件和接收部件很多,因此总线上信息的发送和接收要通过CPU发出的控制信号来控制。
分时:
是指同一时刻总线上只能传递一个部件的信息。
也就是,系统中如果有多个发送部件,它们是不能同时向总线发送信息的,而只能分时向总线发送信息。
究竟哪个发送部件发送,哪些部件接收,是由总线中设置的总线仲裁器来对总线的使用进行合理的分配和管理的。
3.1.4总线的组成
总线有多种类型。
如早期使用的、现在已经被淘汰的ISA总线、EISA总线、VESIA总线,以及现在正在使用的AGP、PCI、USB总线,还有用于工业控制的STD总线等。
但不管何种总线,按照总线上传递的信息内容划分,都是由数据总线、地址总线、控制总线和电源线四种类型组成。
⒈数据总线
计算机的基本功能就是对数据的加工与处理,计算机工作的过程就是数据流在各个部件中加工处理和流动的过程。
用于实现数据在各部件间流动的就是总线中的数据总线。
数据总线用于传递数据信息,总线中数据线的根数就称为数据总线宽度,总线的数据总线宽度基本上表示总线数据传输的能力,反映了该总线的性能。
如STD总线是8位总线,ISA主线是16位总线,PCI总线为32位总线,均指的是数据总线的宽度,它们的大小反映了总线的数据传输能力。
⒉地址总线
总线中用于传输地址信息的一组线称为地址总线。
地址总线上传送的地址通常指存储器的存储单元地址或外设的I/O端口地址。
地址总线的宽度,表明了该总线的寻址范围,即决定了该总线上可以直接寻址的存储器单元个数的多少及I/O端口寄存器个数的多少。
例如PCI总线有32条地址线,寻址能力达到4G字节,可以构成相当大的计算机系统。
⒊控制总线
控制总线用于传递各种控制信号,总线操作各项功能都是由控制总线控制完成的。
控制信号是总线中种类最多、变化最大、功能最强的信号,也是最能体现总线特色的信号。
一种总线标准与另一标准相比较最大的不同之处就在于控制总线。
不同类型的微机中的控制信号不同,所使用的控制线的条数也不同。
⒋电源线
电源+5V、-5V、+12V、-12V是系统必备总线,其中-5V用的比较多,+5V要求最大。
PCI总线还有3.3V电源信号,这表明了计算机系统的电压向低压发展的趋势,电源品种具有3.3V、2.5V、1.7V等。
总之,微型计算机总线主要由数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分组成。
其中,数据总线看宽度,它表示构成计算机系统的计算能力和计算规模;地址总线看位数,它决定系统寻址能力,表明构成计算机系统的规模;而控制总线则代表总线的特色,表示总线的设计思想、控制技巧。
§3.2总线标准化
3.2.1总线标准化定义
所谓总线标准是指国际上公认的总线的一些约定和互连标准。
它规定了连接到总线上各插作的尺寸大小、信号线的数目、各信号的定义以及时序和信号的电平标准等等。
通过这些严格的电气和结构规定,各种模块便可实现标准连接。
各生产厂家可以根据这些标准规范生产各种插件或系统,而用户则可以根据自己的需要购买这些插件或系统来构成所希望的应用系统或者扩充原来的系统。
总线标准化的目的是为连接到总线上的各个部件提供标准的信息通路。
微机系统中的总线分为芯片级的芯片总线、插件级的总线和系统级的外总线。
芯片级总线指在CPU内部连接各寄存器和运算部件的总线。
芯片总线的标准化目前尚未得到妥善解决,这主要是由于不同厂家生产的LSI芯片没有一个标准化的规范,因而很难通过简单的连接提供芯片之间的标准信息通路。
插件级总线为用于插件内各芯片之间互连的总线,又称芯片级总线或局部总线。
而系统总线是计算机系统内各功能部件之间相互连接的总线。
目前,人们已经在插件级和系统级形成了各种标准总线。
目前总线标准有两类。
一类是IEEE(美国电气及电子工程师协会)标准委员会定义与解释的标准。
如IEEE-488总线和RS-232C串行接口标准等,这类标准现已有20多个,这些标准都定义了总线的物理结构、尺寸、等信号定义、地址空间、传输速率以及总线协议和仲裁协议等内容。
另一类是广泛流行并被大家接受与公认的标准。
如S-100总线、IBMPC总线、ISA总线、EISA总线、STD总线和串行电流回路接口标准等。
对于标准总线的使用,不同的总线标准可以用于不同的微机系统或者同一系统的不同位置。
3.2.2标准总线的优越性
微型计算机自从诞生以来,围绕着提高计算机性能,主要是速度性能的提高,人们采用了许多先进的技术和措施,而总线技术就是其中采用的一门很重要的技术。
计算机系统结构采用总线结构在系统设计、生产使用和维护上有很多优越性,主要有以下几点:
⒈便于采用模块结构设计方法,简化了系统设计。
现代电脑采用了模块化结构技术,每一模块都具有自己的结构和功能。
人们甚至不需要深入了解它们的原理和构造,就可以象砌房子那样组装成电脑。
所有这些,都得益于微机采用了标准总线结构设计方法。
设计者只需要按照总线信号的规定设计各电路插件板,如显卡、声卡、网卡等外设接口板及CPU板、ROM板、RAM板等,将这些插件分别调试好,插在规定的总线上,就可构成微型计算机系统。
⒉标准总线可得到多个厂商的广泛支持,便于生产与之兼容的硬件板卡和软件。
各生产厂家为了扩大其产品应用面,都采用了开放式设计策略,这样各厂家设计自己的插件或插板时不需要了解其它部件的结构,只需要按同一总线标准大批量生产各自的插件、插槽,就可以保证其产品具有互换性和通用性。
⒊便于系统的扩充和升级。
微机系统设计者在设计系统时,在总线上设计有多个总线插槽,这样,用户在需要规模扩充时,只需往总线上多插几块同类型的插件;在功能扩充时,只需插入符合该总线标准的所需插件;在系统更新或升级时,一般只需要更换新的插件或系统板,即可完成系统的扩充和升级。
⒋便于故障诊断和维修,同时降低了成本。
由于总线信号是统一标准,很容易检测故障部位,这样,在维修时,最简便的办法是立即购买相同总线标准的任何厂家生产的电路板插在标准总线上即可正常工作。
如果要维修插板,由于硬件的标准总线信号及模块化结构,可以将它插在任何相同标准总线上进行测试,使维护人员能更快地判断故障部位。
因此,从维修角度说,采用标准总线,对提高系统可靠性也很有意义。
§3.3总线上信息的传送方式
计算机中的信息是通过总成进行传送的,信息在总成上有3种传送方式:
串行传送、并行传送和并串行传送。
⒈串行传送
当信息以串行方式传送时,只使用一条传输线,且用脉冲传送。
即在一根传输线上按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位的脉件信号,每次一位,通常以第1个脉冲信号表示数码的最低有效位,最后一个脉冲表示数码的最高有效位。
如图3-2(a)所示。
至于如何确定发送脉冲是0是1,以及几个0几个1,通常采用位时间,以脉冲信号为高电平表示1,低电平表示0来确定的。
(a)(b)
图3-2串行传送和并行传送
(a)串行传送(b)并行传送
“位时间”,即一个二进制位在传输线上占用的时间长度。
例如:
在8个位时间里如果接收设备在第2个位时间和第6个位时间分别接收到一个脉冲,而其余的6个位时间没有收到脉冲,那么就表示收到的二进制信号是00100010。
如下图,目的设备收到的二进制信息为10101010。
串行传送时,被传送的数据需要在发送部件进行“并行一串行”变换,而在接收部件又需要进行“串行一并行”变换。
串行传送的主要优点是只需要一条传输线,不管传输的数据是多少,因此成本体低廉,但传输数据速率低,适合远距离传送,故串行传送是外总线中常用的传送方式。
⒉并行传送
并行传送采用多条传输线,同时传输多位二进制信息。
并行传送一般采用电位传送,由于所有的位同时传送,所以并行传送方式的速度比串行传送的时间快的多,但带来的是成本提高,且由于电信号的损耗,适合近距离,故并行传送是微机系统内部常用的传送方式。
如图3-2(b):
有8根传输线组成扁平电缆,最上面的线代表最高有效位,最下面的线代表最低有效位,则在一个位时间里并行传送可以传送8位二进制位01001010
⒊并串行传送
并串行传送方式是并行传送方式与串行传送方式的结合。
当信息在总线上以并串行方式传送时,如果一个数据字由2个字节组成,那么传送一个字节时采用并行方式,而字节之间采用串行方式。
例如:
8088CPU是准16位微处理器,即CPU中的数据采用16位并行运算,而由于8088CPU芯片引脚数的限制,CPU对应只有8根数据线,这样,当8088CPU与外设进行I/O时,以字节为单位,采用并串方式进行传送。
§3.4总线的分类
微型计算机从其诞生以来就采用了总成结构。
CPU通过总线实现读取指令,并实现与内存、外设之间的数据交换。
随着电子元器件的不断发展和计算机新技术的不断应用,计算机的性能得到了长足的提高,而总成此时却成了影响计算机系统的瓶颈,总线速度变成制约计算机整体性能的关键,因此在微型计算机二十多年的发展过程中,人们对总线结构也进行了不断的改进,出现了各种类型的总线。
不同的微机系统具有不同的总线,且同一系统的不同层次也具有不同的总线。
对于各种各样的总线,从不同的角度有多种分类的方法:
⒈按照总线传送信息的类型分类
地址总线(AddressBus,AB):
用于传送存储器地址码或I/O设备地址码。
数据总线(DataBus,DB):
用于传送指令或数据。
控制总线(ControlBus,CB):
用于传送各种控制信号。
⒉按照总线传送信息的方向分类
单向总线:
挂在总线上的一些部件将信息有选择地传向另一些部件,但不能反向传送。
双向总线:
挂在总线上的任何部件或设备之间可以互相传送信息。
在总线中,地址线属于单向总线,数据总线属于双向总线,而控制总线属于混合型总线,控制线中的每一根控制线是单向的,但各控制线的方向有进有出。
⒊按照总线上数据传送的方式分类:
串行总线:
一次传送一位二进制信息,适合远距离传送。
并行总线:
一次可同时传送多位二进制信息,适合近距离传送。
⒋按照总线的使用范围和功能来划分,可划分成四种类型的总线。
⑴片内总线:
片内总线位于集成电路内部,用来连接各功能单元的信息通路,它是ALU、寄存器和控制器之间的信息通路。
片内总线一般由芯片生产厂家设计。
⑵片外总线。
片外总线是指在电路板上连接各插件的公共通路。
即是CPU与内存和I/O设备接口之间进行通讯的线路。
通常人们所说的总线是指片外总线。
片外总线又称芯片级总线或局部总线。
微机主板上将CPU和其它外围芯片相互连接起来的总线就属于片外总线,也称主板局部总线。
PC系统机上的较流行的标准主板局部总线有ISA、EISA、VESA、PCI及AGP等标准总线,而目前,ISA、EISA、VESA总线己逐步退出市场。
⑶系统总线
总线又称内总线,或I/0通道总线。
对于微机系统而言,系统总线为主板上处理器和外设进行通讯时所采用的数据通路,位于微机机箱内的底板总线,用来与底板上的扩充插槽上的各扩充板卡相连接,是微型机及机内重要的总线,也是用户接触最多的总线,通常,微机主板制造商为了使他们的产品具有可扩展性,采取了开放系统总线的方式,以在主板上预留一些空插槽(即扩展插槽)的形式提供系统总线。
新的硬件设备通过插在扩展插槽上被装到计算机中,以实现与主板上其它部分之间的通讯。
而在同一块主板上,可以有多种类型的系统总线。
这些系统总线以主板上提供的不同颜色、不同长度的各种总线插槽展现给用户(如黑色长条插槽为保留的ISA总线接口,短的白色插槽为PCI总线接口,棕色的短插槽为AGP总线接口)。
对于用户来说,在组装或扩充微机系统时,按照不同的功能要求,选用恰当的系统总线,并按照选定系统总线的标准,来确定I/0接口插件板,从而就可很方便地组装成一台用户满意的电脑。
系统总线中,比较典型的有POP—11单总线,APPLE—Ⅱ总线,S—100总线,Multi—bus总线,微通道MCA以及PC系列微机总线,如PC总线、ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线和AGP总线。
目前,比较流行的为PCI总线和AGP总线。
⑷通信总线
通信总线用于微处理器系统与系统之间、微处理器系统与外部设备或微处理器系统和仪器仪表之间的通讯通道。
通讯总线的数据传送有串行通讯和并行通讯两种形式。
并行通讯总线具有传输速率高、传送距离较近的特点。
而串行通讯总线具有传送距离远、传输速率较低的特点。
较为常见的通信总线有IEEE488并行总线、IDE并行总线、SCSI并行总线、Centronics并行通讯总线、RS232C串行通讯总线、USB通用串行总线、AGP总线以及IEEE1394高速串行总线等。
每一种通讯总线具有其不同的通讯特点,不同的应用场合应场合应选用不同的总线标准。
用户在使用时,应根据外设情况及接口情况,选用合适的通讯总线以实现通讯。
通常,串行打印机、调制解调器采用RS—232C串行通讯总线;用于硬盘接口的为IDE、SCSI总线;用于连接仪器仪表的为IEE—488、VXI总线;用于并行打印机连接的为Centronics并行通讯总线等等,而目前用于连接优盘的USB总线等。
§3.5总线结构
通常,计算机系统总线结构有单总线结构、双总线结构及多总线结构,而微机系统结构主要为单总线结构和双总线结构。
⒈单总线结构
单总线结构计算机中,系统的各个部件均挂接在单总线上,通过分时占用单总线,可以实现CPU与主存之间、CPU与I/O设备之间、I/O设备与主存之间、各种设备之间交换信息。
如图3-3所示。
单总线结构的优点是控制简单方便,易于扩充系统所配置的I/O设备,而且在主存与I/O设备交换信息时还允许CPU继续工作。
单总线结构的缺点是由于采用单总线,在同一时刻只能在两个设备之间传送数据,所以使得系统总线传输的效率和速度比较低,且难以解决I/O设备和CPU、存储器之间传送速率的差异而导致的高速设备等待时间过长的问题。
图3-3单总线结构
⒉双总线结构
为了克服单总线结构的缺点,人们提出了双总线结构的总线设计思想。
双总线的组织方法很多,但基本组成思想是将速度较低的I/O设备从系统总线上分出去,而形成系统总线与I/O总线分开的双总线结构。
如下图所示,把传输速率较高的CPU,CACHE,存储器直接挂在系统总线上,而把速度较低的I/O设备挂在扩展总线上,系统总线上设备与扩展总线上I/O设备通过扩展总线接口连接实现通信,而快速的CPU与CACHE以及与存储器间数据传输则直接通过快速的系统总线来进行。
此外,双总线结构还有两种结构,即面向CPU的双总线结构和面向存储器的双总线结构。
这两种类型的共同点是增加了一条总线,从而使总线传送速率得到了提高。
但同时,两种双总线结构不同,其各自的总线传输性能不同。
⑴面向CPU的双总线结构
面向CPU的双总线结构如图3-4所示。
考虑到计算机工作时,要经常不断地和主存交换信息,为了提高总线传送速度,人们在单总线结构的基础上进行了改进,增加一组在CPU与主存之间进行信息交换的公共通路,即存贮器总线。
CPU利用存贮总线从主存中取出指令后进行分析、执行,并通过存储总线和主存交换数据,而外设则通过另一条总线,即I/O总线实现CPU与I/O设备间的数据输入与输出。
很显然,通过双总线结构,提高了微型计算机系统信息传送的速率和传送效率。
但是由于外设与主存之间没有直接的通路,要通过CPU才能进行信息交换,这无形中增加了CPU的负担,从而降低了CPU的工作效率,这是面向CPU的双总线结构的主要缺点。
图3-4面向CPU的双总线结构
⑵面向主存储器的双总线结构
面向主存储器的双总线结构如图3-5所示。
图3-5面向主存储器的双总线结构
此结构是在单总线结构的基础上,在CPU和主存之间又专门设置了一组高速总线,使CPU可以通过它直接与主存交换信息,从而达到提高总线传送率的目的。
面向主存贮器的双总线结构的主要优点是不仅保留了单总线结构的优点,即所有设备和部件均可通过总线交换信息,又因存储总线使信息传递效率提高,而且减轻了总线的负担,但总线结构硬件造价较高,所以,高档微机中通常采用这种面向存贮器的双总线结构。
⒊多总线结构
双总线结构有个的缺点,就是现在外设种类很多,性能差异很大,扩展总线都挂I/O设备,容易导致高速I/O设备由于等待低速I/O设备时间过长而影响系统效率的问题,为此,人们又设计了三总线结构。
即在系统总线和扩展总线之间增加一条高速总线,将图形,视屏和网络等连到高速总线上,而慢速I/O设备仍然连接到扩展总线上,从而形成系统总线、高速总线和扩展总线三者组成的三总线结构。
三总线有多种类型,目前微机中使用很广泛的PCI总线结构就属于三总线结构,如图3-6所示。
图3-6PCI多总线结构
在图3-6中,三总线由系统总线、PCI总线(高速总线)、还有ISA、EISA总线(扩展总线)组成。
系统总线上挂有CPU、存储器。
PCI总线属于高速总线,传送信息速率较高,所以其上通常挂接要求数据传输速率高的设备,如多媒体卡、,高速局域网适配器、高性能图形板等。
通过PCI桥路可以实现CPU与PCI总线相连。
而低速外设,如Modem、打印机等则挂在低速ISA、EISA总线(扩展总线)上。
这种结构使CPU总线与PCI总线相互隔离,具有很高的灵活性,在PCI总线可以满足高速运行设备的高速传输要求,而在ISA、EISA总线上可以满足低速外设的传输要求,且具有即插即用的功能,系统效率得到了很大的提高。
§3.6总线的功能
挂接到总线上有多个部件,这些部件通过总线可以实现相互间的信息传送。
传送时,发送信息的部件我们称为源部件,接收信息的部件称为目的部件。
源部件可以控制总线并启动信息传送,而目的部件只能按源部件的要求工作。
接到总线上的部件有的部件只能作为源部件,例如键盘、鼠标等;有的部件只能作为目的部件,如显示器、打印机等;而有的部件既可作为源部件,也可作为目的部件,如硬盘,既可作源部件读出,即发送收据,也可作为目的部件接收收据,即接收收据,但不能同时进行读出和写入,只能分时进行,也就是说,有的设备有时作为源部件使用,有时作为目的部件使用。
要完成源部件发送数据到目的部件接收数据,要经过几个步骤:
总线请求、总线仲裁、寻址、传送数据、检错和出错处理等。
所有这些过程由总线控制线路控制完成,总线控制线路包括总线仲裁逻辑、驱动器和中断逻辑等。
整个数据在总线上传输为如下过程:
首先由挂接在总线上的源部件通过总线上的控制线向总线仲裁逻辑提出总线使用请求。
由于挂接在总线的部件随时可能有多个部件作为源部件,所以某一时刻只能有一个源部件控制总线。
为避免多个部件同时发送信息到总线的矛盾,这时,总线仲裁逻辑根据一定的判定原则,决定首先由哪个部件使用总线。
只有获得了总线使用权的源部件,才能开始传送收据,而在开始由源部件发送数据前,必须确定发送数据的目的地,即目的部件是谁,这就需要进行总线的寻址。
由于挂接总线上的目的部件一般为存贮器或I/O设备,而计算机对其采用分配存储地址码或I/O端口地址码的方法进行管理与识别,所以,获得总线使用权的源部件,在进行寻址时,由总线上的地址总线发出目的部件的地址码经过地址译码器找到目的部件后,向源部件送回一个可以发送收据信号,源部件接到信号后,即通过总线上的数据总线发送收据到目的部件,从而完成一次数据传送。
由于在收据传送过程中可能产生错误,有的目的部件有自动纠错能力,可以自动纠正错误;有的部件无自动纠错能力但能发现错误,则通过控制总线向CPU发出“数据出错”中断请求信号,CPU响应中断,转入出错处理程序。
这就是数据传送过程中的中断处理。
此外,在总线进行数据传送时,要注意总线驱动问题。
因为总线的驱动能力是有限的,所以,计算机系统中通常用三态输出电路或集电极开路输出电路来完成驱动总线的。
总的来说,总线有以下几个基本功能
⒈数据传送功能。
⒉总线判优裁决功能——决定总线使用权归属。
⒊总线驱动功能――给总线上信息增加电能,使信号能正确传送到目的部件。
⒋出错处理功能――处理总线信息传送过程中的出错问题。
在总线控制中要着重处理好以下几个关键:
a.要注意解决好源部件与目的部件之间信息传送的同步问题,以实现两部件间的协调和配合,确保两者之间数据传送的可靠性。
通常采用定时信号来实现源部件与目的部件间的同步控制。
定时实现方式有三种:
同步方式、异常方式和半同步方式。
⑴同步方式
同步传输是采用精确稳定的系统时钟作为源部件和目的部件间的基准时间。
源部件和目的部件通过总线完成一次数据传输的时间(一个时钟周期)是固定的,每次传输开始源部件必须按照严格的时间规定发送出数据,目的部件也必须在同样的时间内完数据的接收。
同步方式的优点是规定明确、统一,部件间的配合简单一致,传输率较高。
缺点是对两部件速度的一致性要求较高,缺乏灵活性。
⑵异步方式
异步方式传送在源部件和目的部件间需要一对既可请求又可响应的信号线,作为两者传送时的应答信号,采用应答方式(又称
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