考虑用 8 位 MCU? 再想想看 让我们一起来了解 : 基于 Cortex-M0/M0+ 内核的 LPC MCU 如何给嵌入式应用提升显著的价值和展现明显的优势 莫志豪高级应用工程师 FTF-DES-N1968 Sep 27, 2016
议题 Cortex-M0+/M0 概述 LPC1100 和 LPC800 技术概述 LPC800 技术介绍 LPC800 工具与支持 讨论与问答 1 1
CORTEX-M0+/M0 概述 2
Cortex-M0+ 概述 高性能 32 位 CPU 2 级流水线 能效比 1.77 CoreMark/MHz - 0.93 DMIPS/MHz 单周期 IO 操作 内建嵌入式中断向量表控制器 (NVIC) 并自带中断唤醒控制器 (WIC) 2 线调试接口 (SWD), 支持 4 个断点和 2 个观测点 微追踪缓冲器 (MTB) 向量表重定位 Thumb2 指令集 (56 条指令 ) 3
Number of bits 优越的代码密度 64 48 各种处理器的指令长度 32 16 8051 PIC18 PIC24 MSP430/ MSP430X Cortex-M0/M0+ 优越的代码密度 : 除了 BL 指令外, 其它的 Cortex-M0/M0+ 指令都是 16 位长度的指 64kB 寻址空间, 8 位和 16 位控制器必须要分页访问, 导致额外的代码开销 4
优越的代码密度 ( 示例 : 16 位乘法运算 ) 8-bit (8051) 16-bit (MSP430) ARM Cortex-M0/M0+ MOV A, XL; 2 bytes MOV B, YL; 3 bytes MUL AB; 1 byte MOV R0, A; 1 byte MOV R1, B; 3 bytes MOV A, XL; 2 bytes MOV B, YH; 3 bytes MUL AB; 1 byte ADD A, R1; 1 byte MOV R1, A; 1 byte MOV A, B ; 2 bytes ADDC A, #0; 2 bytes MOV R2, A; 1 byte MOV A, XH; 2 bytes MOV B, YL; 3 bytes MUL AB; 1 byte ADD A, R1; 1 byte MOV R1, A; 1 byte MOV A, B ; 2 bytes ADDC A, R2; 1 bytes MOV R2, A; 1 byte MOV A, XH; 2 bytes MOV B, YH; 3 bytes MUL AB; 1 byte ADD A, R2; 1 byte MOV R2, A; 1 byte MOV A, B ; 2 bytes ADDC A, #0; 2 bytes MOV R3, A; 1 byte 运行时间 : 48 条指令周期 代码空间 : 48 字节 29 Instructions MOV R4,&0130h MOV R5,&0138h MOV SumLo,R6 MOV SumHi,R7 (Operands are moved to and from a memory mapped hardware multiply unit) 4 Instructions 运行时间 : 8 个时钟周期 代码空间 : 8 字节 MULS r0,r1,r0 1 Instruction 运行时间 : 1 个时钟周期 代码空间 : 2 字节 5
Cortex-M0/Cortex-M0+ 超高能效比 相同的性能需求,Cortex-M0/M0+ 运行的时钟频率更低 Cortex-M0/M0+ 可睡眠时间更长或者处理其它的任务 6
LPC1100 和 LPC800 技术概述 7
APB Bus AHB-LITE Bus LPC1100 系列框图 Cortex-M0+ 处理器, 高达 50MHz 较低工作电流 150 µa/mhz 单电源供电 (1.8V to 3.6V) 内存 高达 256 kb Flash, 高达 36 kb RAM ROM 内置驱动 : USB, USART, I2C, Power Profile, integer divide, ISP/IAP Drivers, DMA drivers 丰富的型号 LPC11xx: 基本控制和串行通讯 LPC11xxLV: 低电压 (1.8V VDD) LPC 11Axx: 10-bit DAC, 比较器 LPC11Cxx: CAN ( 内置或不内置 CAN 收发器 ) LPC11Dxx: LCD 显示屏控制器 LPC11Exx: EEPROM LPC11Uxx: 全速 USB 从设备接口 ; ROM 内置已获认证的 USB 驱动 ADC, DAC 和温度传感器 创新性的低管脚数封装 ARM Cortex-M0 Up to 50 MHz GPIO Power Control PMU, power modes, BOD, single V dd power supply, POR Clock Gen Unit 12 MHz, 1% IRC OSC, Watchdog OSC, 1-25 MHz System OSC, System PLL 16-bit (2) WDT SYSTEM TIMERS 32-bit (2) Systick clock Bridge SPI (1-2) UART/USA RT (1-5) Flash (4-256 kb) RAM (1-36 kb) EEPROM (0 to 4 kb) USB (FS Dev) ROM MEMORY IOH SERIAL INTERFACES ADC ANALOG CAN I 2 C (1-2) LCD DAC, comparator, temp sensor, int Vref 8
GPIO pads Switch Matrix APB Bus AHB-LITE Bus LPC81x 和 LPC82x 框图 Cortex-M0+ 处理器, 高达 30MHz 低工作电流 100 µa/mhz 单电源供电 (1.8V to 3.6V) 内存 : LPC81x - 16kB Flash, 4kB SRAM LPC82x - 32kB Flash, 8kB SRAM ROM 内置驱动 : USART, I2C, Power Profile, integer divide (LPC82x), ISP/IAP Drivers, SPI (LPC82x), ADC (LPC82x) 外设 : 支持配置外设的开关矩阵 状态可配置的定时器 SCTimer/PWM 模式匹配引擎 (GPIO) 3 USART, 2 SPI, up to 4 I2C 支持外部参考电压的比较器 4 通道多速率定时器 (MRT) 自唤醒定时器, 系统定时器, 看门狗定时器 高达 29 个高速 GPIO 1.5% 精度, 12 MHz IRC 内置振荡器 高达 12 路 12-bit ADC (LPC82x) 高达 18 路支持 9 种输入触发模式的 DMA (LPC82x) LPC81x - TSSOP16/20, SO20 and DIP8 LPC82x - HVQFN33, and TSSOP20 LPC8xx: Low Power Cortex-M0+ ARM CORTEX-M0+ 30 MHz TIMERS SPI (2) I 2 C (4) IOP GPIO Up to 29 SCTimer/PWM 4 ch multi-rate WWDT self wake-up UART SERIAL (3) INTERFACES Bridge Flash Up to 32 kb SRAM Up to 8 kb ROM CRC Engine DMA (18 ch) Power Control PMU, power modes, BOD, single V DD power supply, POR Clock Gen Unit 12 MHz 1% IRC OSC, Watchdog OSC, 1-25 MHz system OSC, system PLL SYSTEM Comparator with external Vref ADC 12 ch, 12-bit, 1.2 Msps ANALOG 9
LPC800 时钟振荡单元 10
LPC800 时钟振荡单元 时钟源 IRC 振荡器看门狗振荡器主振荡器 CLKIN 系统锁相环 SYS PLL 低功耗振荡器 特性 默认的系统时钟在上电和掉电情况下保持稳定 12 MHz ( 全温度电压范围内 ±1.5% 精度 ) 低功耗操作低频振荡器频率范围 9.3 khz 2.3 MHz (+/- 40%) 1 MHz 25 MHz 1 MHz 25 MHz 多种时钟源 (IRC, Main Osc, CLKIN) 高达 100 MHz and 向下分频至 30 MHz 或更低 Low power operation Low frequency oscillator 10 khz (+/- 40%) 11
LPC800 GPIO 12
LPC800: 灵活的 I/O 端口 I/O 端口 高达 29 个 GPIO 单周期访问所有端口的引脚 支持高频率 I/O 翻转 最高可达 CPU_Clock/2 = 15MHz! 增强型 GPIO 引脚操作 同时支持以 Bit/Byte/Word 方式读或翻转 I/O 操作 可从所有的 GPIO 中最多选择 8 个引脚作为边沿或电平触发的中断源 可配置内置的上下拉电阻, 开漏模式, 输入反相和中继模式 所有 GPIO 都配有可编程的数字消抖滤波器. 滤波器可过滤脉冲小于 1/2/3 个滤波时钟周期的输入 4 个引脚支持高电流输出驱动能力 (20 ma) 2 个真开漏引脚支持高电流输入驱动能力 13
增强型 GPIO 引脚操作 支持高频率 I/O 翻转 最高可达 CPU_Clock/2 = 15MHz 右边波形图显示了在内核时钟为 30MHz 时, 单时钟周期访问 IO 端口 14
开关矩阵 可变功能的引脚 可被分配到除了电源和地以外的外部任意的引脚 UART Switch Matrix P0_1 UART, SPI, I²C, SCT, 比较器输出, 时钟输出, 模式匹配输出 SPI P0_2 I2C P0_3 固定功能的引脚 振荡器引脚, 比较器输入, GPIO SCT P0_4 支持被可变的功能替代 15
LPC800 数字外设 16
定时器 多速率定时器 (MRT) 四路独立通道定时器 每个通路均可产生中断 重复中断模式 单次中断模式 自唤醒定时器 (WKT) 32 位向下计数器, 写入计数值自动开始计数, 计数超时后产生中断或者将芯片从低功耗模式唤醒芯片 窗口看门狗定时器 (24 位 WWDT 定时器 ) 系统定时器 Systick Timer (24 位 Systick 定时器 ) 17
状态可配置定时器 (SCTimer/PWM) 状态可配置定时器 (SCTimer/PWM) 是一个带有高度灵活的事件驱动状态机模块的定时器 / 计数器 可被配置成一个 32 位或两个 16 位带有可配置状态机制的计数器 CLK prescaler(s) inputs control logic counter(s) match logic event generation outputs match/ capture regs state logic interrupts 18
状态可配置定时器 (SCTimer/PWM) operations 允许各种各样的定时 计数 输出调整和输入捕获的操作 关键特点 : 4 路输入 4 路输出 5 个匹配或捕获寄存器 6 个支持状态机的事件 2 个状态 19
SCT 如何运作? 状态 输入 IO 条件计数匹配 事件 动作输出捕获中断计数器控制 新状态 20
SCTimer/PWM 示例 状态 0 输入计数器 Match0 匹配 事件 0 动作输出高电平计数器清零 状态 1 动作输出低电平计数器清零 事件 1 输入计数器 Match0 匹配 21
SCT 实现 2 路带死区控制的 PWM 22
SCTimer/PWM 丛书 收集例程 ( 支持 LPCXpresso 和 Keil) 丛书中有每个例程概述 目前提供以下例程 : SCT_blinky_irq SCT_blinky_match SCT_match_toggle SCT_pwm SCT_pwm_um SCT_pwm_deadtime SCT_pwm_4ch SCT_pwm_decode SCT_rc5_send SCT_rc5_receive : generate 10 msec timer tick : toggle output every 10 msec : same using conflict resolution : generate PWM output : PWM with two different duty cycles : PWM and dead time generation (for HB control) : 4 channel PWM + abort input : pulse width measurement : modulate RC5 code at 36 khz carrier : decode RC5 frame (Manchester coding) 23
状态可配置定时器 (SCTimer/PWM) 在不需要 CPU 干预的情况下实现 8 位 MCU 所具备的任何定时或 PWM 功能 各种各样的计数 输出 输入和控制操作 嵌入死区时间 高分辨率 PWM 图像用户界面的配置工具 (Redstate) 集成到 LPCXpresso 选择预配置的定时功能或建立自己所需求的功能 Motor Control PWM Generating PWM outputs with programmable dead-time Lighting Modulated PWM outputs, reaction to lamp sensor Custom sampling of input signals for: Frequency detection Pulse width detection Phase detection Custom control signals in hardware: Clock or signal gating Complex modulation of outputs Pulse sequences 24
Red State 图形界面的 SCT 配置工具 25
模式匹配引擎 (PME) 引脚中断 最多可选择 8 个引脚作为中断源 模式匹配特点 IN0 最多可在所有引脚中选择 8 个来创建一个布尔表达式 示例 : (IN0)~(IN1)(IN3)^+(IN4)(IN5)+(IN0)~(IN3)~(I N4) IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 Pattern Match Engine OUT where: ~=low; ^=rising edge; +=OR IN7 PME 会一直监测这些引脚的状态, 当布尔表达式为真时, 将生成一个中断 引脚中断和模式匹配模块都是互相独立的 26
USART 所有的三个 UART 串口都支持同步操作 异步下最高速率可达 1.875Mbits/s, 同步下最高速率可达 10Mbits/s 内置 ROM USART 驱动 数据格式 :7 8 9 个数据位, 1 2 个停止位 多机通信 (9 个位 ) 模式, 软件匹配地址 数据校验 : 无校验 / 奇校验 / 偶校验 使用 RTS 和 CTS 信号支持硬件流控 所有 USART 共享一个分数分频器 内建波特率生成器, 支持自动检测波特率 支持从睡眠 深度睡眠和掉电模式下唤醒 27
I²C I 2 C 引脚可通过开关矩阵配置到专用的开漏引脚或者其它引脚 在开漏引脚上支持高达 1Mbit/s 的加快速模式 独立的主机 从机和监视器功能 硬件中支持多个 I2C 从机地址 支持超时功能 片上 ROM 提供 I2C 驱动 收发支持 DMA 支持从睡眠 深度睡眠和掉电模式下唤醒 28
SPI 在主机模式最大速率 30 Mbit/s, 在从机模式最大速率 25 Mbit/s 可编程的前后延迟 可编程的帧延迟 内置 ROM SPI 驱动 支持从睡眠 深度睡眠和掉电模式下唤醒 29
DMA 支持 18 个 DMA 通道, 所有通道都连接到外设的输入和输出请求 每个通道都支持 USART/SPI/I2C 外设 触发源支持 SCT_DMA0/1 ADC A/B 序列中断 比较器 ACMP 输出 引脚中断 PININT0/1 每个通道都可选择 9 中触发源中的一种 每个通道的优先级可选, 并支持优先级仲裁 支持单次传输最大 1024 个字 支持在睡眠模式操作 具有 4 组地址缓冲区 支持地址增量设置 30
LPC800 模拟外设 31
模数转换器 ADC 12 位逐次比较型模数转换器 通过输入多路复用器最多支持 12 路外部输入 转换速率高达 1.2Msample/s 两个独立触发可配置的转换序列 自动采样结果 过零 比较检测 具有 power-down 模式和 low-power 操作模式 支持单 / 多通道突发 (burst) 转换模式 支持 DMA 功能 支持硬件校准模式 32
模拟比较器 比较外部引脚和内部电压 4 路外部输入通过多路复用的方式可作为比较器正极或负极的输入 内部电压参考源 (0.9 V 基准参考源 ) 可作为比较器正极或负极的输入 可选择 VDD 或者 VDDCMP 引脚作为阶梯电压源 为了精细比较, 比较器参考电压源支持 32 阶细分 通过开关矩阵可将比较器的边沿和电平输出信号连接到状态可配置定时器, 用于记录比较事件的时间轴 33
LPC800 ROM 驱动 34
ROM 驱动 内置 ROM 包括引导程序和以下应用程序接口 (API): 支持 Flash 擦写的在系统编程 (ISP) 和在应用编程 (IAP) USART 驱动 API 程序 支持任意 USART 模块在异步模式下发送或接收数据 I 2 C 总线 API 程序 支持 I2C 总线在主机和从机模式下发送或接收数据 SPI 驱动 (LPC82x) 通过标准的 API 可控制多个 SPI 从机设备 ADC 驱动 (LPC82x) ADC 校准, 触发 AD 转换和中断处理 提供功率模式 API 优化功耗和 PLL 设定 整数除法程序 35
Default 功率模式 Power Profile 易用的 API 驱动接口可在运行时对电流进行动态管理 应用示意 : CPU Performance Flexible and easy switching between power profiles during runtime ~30% Increase in performance ~20-30% reduction in active power CPU Efficiency Lowest Active Power Runtime 36
功率模式 - 基于 Keil v4.70 测试结果 Power Profile 12 MHz 24 MHz 注释 : Current (ma) CoreMark 使用功率模式优化电流功耗 CoreMark/ MHz 使用功率模式提高 CoreMark 测试分数 Current (ma) CoreMark CoreMark/ MHz Default 2.50 16.88 1.41 4.40 33.76 1.41 CPU Performance 1.98 24.62 2.05 4.27 49.24 2.05 Efficiency 1.98 24.62 2.05 4.27 49.24 2.05 Low Current 1.56 12.93 1.08 3.15 25.85 1.08 37
CoreMark 基准测试结果 (EEMBC) Processor CoreMark/MHz CoreMark NXP LPC800* (24 MHz) Atmel ATmega644 (20 MHz) Microchip PIC24FJ64 (32MHz) TI MSP430F5438A (25 MHz) 2.05 49.24 0.54 10.81 0.75 23.87 0.78 19.56 http://www.coremark.org/benchmark/index.php?pg=benchmark 38 *Not yet uploaded to CoreMark website
LPC800 低功耗模式 39
LPC800 低功耗模式 低功耗模式影响唤醒源电流功耗 睡眠 Sleep - 系统的内核时钟停止, 外设时钟保持 - 处理器的状态和寄存器 外设寄存器和内部 SRAM 的值都会保留, 引脚的逻辑电平保持不变 - 使能的外设功能继续运行, 并可产生中断唤醒处理器 - 和其它几种低功耗模式相比, 睡眠模式的唤醒时间最短 - 所有外设断中断 - 管脚中断 模式匹配引擎中断 - 掉电检测 (BOD) 中断和复位请求 - 看门狗中断和复位请求 - 外部复位信号 - 自唤醒定时器中断 - 唤醒后程序从进入睡眠的位置继续执行 600 µa * 深度睡眠 Deep Sleep - Flash 处于待机状态, 所以唤醒时间比掉电模式要快 - 内核和所有外设的时钟停止 - 自唤醒定时器 (WKT) 和窗口看门狗定时器 (WWDT) - 掉电检测 (BOD) 允许继续工作 - 处理器的状态和寄存器 外设寄存器和内部 SRAM 的值都会保留, 引脚的逻辑电平保持不变 - 在进入深度睡眠模式和掉电模式之前, 必须将时钟切换到 IRC 以便顺利进入低功耗模式 - USART 同步从机模式 - SPI 和 I2C 从机模式 - 管脚中断 - 掉电检测 (BOD) 产生的中断和复位请求 - 窗口看门狗定时器 (WWDT) 产生的中断和复位请求 - 外部复位信号 - 自唤醒定时器 (WKT) - 唤醒后, 程序从进入睡眠前的位置继续执行 掉电 Power-Down - Flash 关闭 ( 和深度睡眠模式相比唤醒时间稍慢些 ) 1.8 µa 深度掉电 Deep Power-Down - 除了 PMU, 所有的电源和时钟都关闭 - 提供 5 个通用寄存器来存放临时数据 - 自唤醒定时器 (WKT) 可以工作 - 处理器的状态和寄存器 外设寄存器和内部 SRAM 的值都不保留, 引脚的逻辑电平不保持 - 所需唤醒时间在所有低功耗模式中是最长的 - 自唤醒定时器 (WKT) - 唤醒管脚上出现由高到低的电平变化注意 : - 不能用外部复位来唤醒 - 唤醒后芯片将会复位并重新启动 170 µa 220 na 40
LPC800 存储器 41
存储器模块 Flash: 扇区 :1kB 支持 64 字节每页擦写 42
代码读取保护 四级代码读取保护 用户可通过应用需求选择合适的 CRP 等级以达到限制 ISP 和 SWD 访问 通过对 Flash 特定地址 0x2FC 写入特定的值来开通相应的 CRP 等级 Read Code Full Chip Erase Erase Sectors Program Sectors SWD Access NO CRP Enabled Enabled Enabled Enabled Enabled CPR 1 Disabled Enabled Enabled Enabled Disabled CRP 2 Disabled Enabled Disabled Enabled Disabled CRP 3 Disabled Disabled Disabled Disabled Disabled NO_ISP No Protection (SWD can read) Disabled Disabled Disabled Enabled 43
循环冗余检查 (CRC) 引擎 支持三种多项式算法 : CRC-CCITT: x 16 + x 12 + x 5 + 1 CRC-16: x 16 + x 15 + x 2 + 1 CRC-32: x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 可编程的种子数设置 输入数据宽度 : 字节 (8bit) 半字(16bit) 字(32bit) CRC 的输入和输出数据可以位反正和 1 的补码 44
LPC800 调试接口 45
仿真和调试 ARM Cortex-M0+ 整合了调试和跟踪功能 串行线调试 (SWD: 2 pins) 支持 4 个断点和 2 个观察点 支持微追踪缓冲器 Micro Trace Buffer (MTB) 标准 JTAG 引脚 (5 pins) 只支持边界扫描测试 46
LPC800 工具和支持 47
LPCXpresso812MAX* (OM13055) LPC812 TSSOP20 封装 支持 LPCXpresso IDE, Keil, IAR 以及其它第三方工具 兼容 mbed 板载 CMSIS-DAP 调试接口或可选的外部接口 ( 如 :J- Link, LPC-Link2, ULINK 等 ) 兼容 Arduino UNO R3 扩展 原型的 mbed/lpcxpresso 接口 RGB LED 按钮 *Originally known as LPC800MAX 48 End customer price: ~$18.75 USD Order: OM13055 Information: http://www.nxp.com/demoboard/om13055.html
LPCXpresso824MAX 开发板 (OM13071) LPC824 HVQFN33 封装 支持 LPCXpresso IDE, Keil, IAR 以及其它第三方工具 兼容 mbed 板载 CMSIS-DAP 调试接口或可选的外部接口 ( 如 :J-Link, LPC- Link2, ULINK 等 ) 扩展 兼容 Arduino UNO R3 接口 原型 mbed/lpcxpresso 接口 扩展引脚区域 其它功能 RGB LED (UART) ISP 和唤醒按钮 虚拟串口 ( 通过 USB 连接到目标芯片的 UART 接口 ) Pmod header Prototyping area mbed/lpcxpresso expansion headers 49 End customer price: ~$18.75 USD Order: OM13071 Information: http://www.nxp.com/demoboard/om13071.html
LPC82x 触摸解决方案套件 ( 含手势库 ) 基于集成开关电容的 NXP 电容触摸解决方案 基于集成 LCD 的 LPCXpresso824MAX 电容板 丰富资源 : 可下载的触摸算法库 适用不同环境的自动校准功能 提供 API 程序指引, 设计指引和例程加速原型设计, 使得开发简易 PC 端 GUI 软件显示和分析触摸数据 PC 端手势库 USB 编程 更多信息 : http://www.nxp.com/demoboard/om13081.html 软件 : http://www.lpcware.com/lpc82x_touch_solution 50 End customer price: ~$25 USD Order: OM13081 Information: http://www.nxp.com/demoboard/om13081.html
开关矩阵配置工具 点击引脚, 选择你所要的功能 示例 : 51
开关矩阵配置工具 对 PINASSIGNx 寄存器配置的代码在 swm.c 文件中, 可将此代码复制到工程的代码中 同时, 别忘了使能开关矩阵 (SWM) 的时钟喔! 提示 : 在配置完开关矩阵后, 你可以关掉它的时钟, 这样可以节省电源! 52
网络资源 www.nxp.com/microcontrollers MCU 主页 www.nxp.com/lpcxpresso 低成本开发环境 www.lpcware.com 工程师社区 53
LPC800 总结 54
LPC800 总结 简易 性价比高 性能是 8/16-bit MCUs 的 2-10 倍 节省的功耗是 8/16-bit MCUs 的 2-3 倍 代码空间比 8/16-bit MCUs 小 40-50% 单周期访问 IO 易用和灵活的外设 : 状态可配置的定时器 SCTimer/PWM, 多速率定时器 (MRT), 开关矩阵 (SWM), USART, I2C, SPI 55
专业的支持和服务 Professional Services Managing Skills Gaps & Engineering Capacity Global Staffing Capability Vested Interest in Mutual Success Graphic, Security, Linux/Android, Cloud, Connectivity Complimentary Software & Tools Kinetis Design Studio, Software Development Kit, Pin Config, Power Estimator/Analyzer THREAD, BLE, ZigBee, Bootloader, RTOS Linux & Android BSP Complimentary Support NXP Boards Communities Technical Information Center Customer Application & Technical Support Distributor technical support Hardware Services 1 st Time Boot Schematics & Layout Review Embedded Processing Solutions Software Products / Technology AVB, Miracast, HDCP2.x, TRLE, TEE, Home Kit, CarPlay, Android Auto, MICROEJ, Sensor Fusion, AUTOSAR, Connected Audio Solution, Graphic Tools, VisionECG, GPU Driver, AGL, Genivi, XBMC, HAB 56 Professional Support Risk Reduction Fast Answers Hot Fixes
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