CN112053615A - 一种嵌入式实验教学系统、教学方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于嵌入式控制技术领域，公开了一种基于SOC FPGA的嵌入式实验教学系统、教学方法，实现FPGA和ARM两个方面的嵌入式系统课程教学，学生能够针对嵌入式不同的应用背景实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计，能够支持不同的嵌入式课程建设并有效衔接各门课程；实验功能扩展板，与SOC核心板通过HSMC总线实现互联，用于实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证。本发明丰富了教学功能、教学案例，满足学生进行不同应用的嵌入式开发需求，提高学生嵌入式开发的积极性。该嵌入式平台可以轻松集成或自定义外围设备；有效覆盖计算机、电子类专业嵌入式课程群的各个课程。此外，可以扩展该体系结构，以培训学生在复杂应用背景下的嵌入式系统设计能力。

Description

一种嵌入式实验教学系统、教学方法

技术领域

本发明属于嵌入式控制技术领域，尤其涉及一种嵌入式实验教学系统、教学。

背景技术

目前：在后PC时代，嵌入式技术在社会生产与生活领域应用十分广泛。随着市场需求的增长，嵌入式系统已逐渐渗透到日常生活的各个领域。目前高校普遍开设了针对嵌入式的设计和实验课程。这些课程中的大多数教学平台都是基于ARM处理器。国内外高校针对不同的教学需求开发了不同的嵌入式教学系统。杭州电子科技大学设计了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统及设计，实现了远程嵌入式实验，利用FPGA和ARM技术完成软硬件实验的双向交互。浙江工业大学设计了基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统及实验方法，该发明具有远程操控反混实验装置、实验安全报警、实时教学互动、数据查询下载、视频观看、分析计算历史数据等功能，适用于智能教学控制等领域。开发了一套分层次的基于Cortex-M3的虚拟实验教学平台，拓展了嵌入式系统课程的学习范围，激发学生的学习兴趣，提高了教学质量。

嵌入式技术在社会生产与生活领域应用十分广泛，是计算机、电子、通信等多学科的交叉领域，是高校计算机体系结构教育中的重要环节。嵌入式系统从一诞生就伴随着电子系统的架构更迭和换代，在使用和开发技术上也在不断创新。不论是器件架构、资源、开发环境还是应用需求的更新发展，都对嵌入式实验教学系统的设计提出了更高的要求。随着设计工具、设计方法的不断发展，嵌入式系统中软件和硬件的界限已经很模糊。然而，传统的以CPU为核心的嵌入式系统课程理论高度分散，结构不断更新，难以适应数据高速处理的需求，学生学习起来难度较大，并且难以在短时间内形成一个简单明确的知识体系。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的以CPU为核心的嵌入式系统课程理论高度分散，结构不断更新，难以适应数据高速处理的需求，学生学习起来难度较大，并且难以在短时间内形成一个简单明确的知识体系。

解决以上问题及缺陷的难度为：随着高校对嵌入式应用能力需求的提高，嵌入式平台需要满足更低功耗、更快处理速度、更加智能化的方向发展、更高的灵活性，但是这也意味着更高的成本、更大的体积、更复杂的设计。难以适应学生需求，并且难以在短时间内形成一个简单明确的知识体系。解决以上问题及缺陷的意义为：利用SOC FPGA技术实现了ARM和FPGA的异构集成，摆脱了PCB布线线宽对信号带宽的限制，弥补了FPGA软核处理器速度慢、功耗大的缺陷。提供了将FPGA和ARM硬核通过片内总线互联的SOC解决方案。同时，能够根据实际需求进行优化和裁剪，灵活地改变系统功能，并在不更换外部设备、不提高成本的情况下完成软件和硬件升级。学生可以在这个平台上实现FPGA和ARM两个方面的嵌入式系统课程教学，学生对于系统的理解和领悟也会更加深刻。通过设计合适的教学实验，针对性地设计教学实验，可以有效覆盖计算机、电子类专业嵌入式课程群的各个课程。学生在课堂上可以更深入的理解和掌握最新型混合式嵌入式系统的设计方法，有利于帮助学生建立完整的嵌入式技术知识体系，有利于培养学生的工程实践能力和创新能力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种嵌入式实验教学系统、教学方法。

本发明是这样实现的，一种嵌入式实验教学系统，所述嵌入式教学控制系统包括：

SOC核心板，用于实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计。

实验功能扩展板，与SOC核心板通过HSMC总线实现互联，用于实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证。

进一步，所述嵌入式教学控制系统利用HSMC高速扩展中间接口实现扩展其教学功能。

进一步，所述SOC核心板包括两个ARM Cortex-A9处理器硬核、二级缓存和存储器子系统以及调试功能模块。

进一步，所述SOC核心板包含不同的存储器包括NOR FLASH、NAND FLASH、DDR3SDRAM，利用HPS内部存储控制器实现数据和程序的存储。

进一步，所述SOC核心板的SDRAM为IS42R16320D，其存储空间为64MB，为实验数据存储、实验程序运行提供内存空间；

DDR3 SDRAM为43TR16256A，其存储空间为512MB，为基于操作系统的应用程序运行提供内存空间；

EPCS128为串行可配置器件，其存储空间为16MB，为FPGA实验固化可编程配置文件提供物理空间；

KSZ9021RL为10/100/1000Base-T千兆收发器，实现网络通信功能，其一端利用RGMII实现与HPS内部以太网控制器连接，另一端直接连接RJ-45接口，为实验进行网络通信提供物理接口；

USB3300为USB物理层收发器，实现USB通信功能，其一端利用ULPI实现与HPS内部USB控制器连接，另一端直接连接USB接口，为实验进行USB通信提供物理接口；

HSMC接口为Intel高速中间接口，扩展其教学功能。

进一步，所述实验功能扩展板包括存储接口、人机交互接口、通信接口、数模转换模块。

进一步，所述存储接口是SD卡接口，利用SPI总线通过实验功能扩展板与SOC FPGA实现互联，为实验数据的存储提供大容量存储空间；

人机交互接口包括LCD显示屏、LED灯、按键、串口、以太网接口、USB接口；以上人机交互接口分别通过GPIO控制器、UART控制器、KSZ9021RL网络控制器、USB3300控制器实现互联，为学生实验实现人机交互提供多种设备及方法；

数模转换模块包括ADC控制器和DAC控制器，通过SPI总线与SOC FPGA实现互联，为学生设计数模混合实验系统提供平台支撑。

本发明的另一目的在于提供一种所述嵌入式实验教学系统的嵌入式教学控制方法，所述嵌入式教学控制方法包括：

实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计。嵌入式系统设计要求软硬件可裁剪，利用SOC FPGA进行嵌入式系统开发过程中，硬件开发和软件开发是两个独立的过程，在约定SOC系统功能需求和寄存器定义后，能够独立开展设计，根据设计和应用需求添加满足不同功能的硬件模块及相应的软件代码。

实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证。嵌入式系统设计除核心控制器外，还需要添加其他硬件外设构建完整嵌入式系统。实验功能扩展板包含嵌入式教学中常用的扩展接口，包括存储接口、人机交互接口、通信接口、数模转换模块等。实验功能扩展板能帮助学生快速理解和掌握嵌入式设计技巧，并提供设计系统的验证。

实现不同课程同一教学平台实验设计及验证。SOC FPGA嵌入式教学平台能够构建一个完整独立的嵌入式平台，满足FPGA开发、ARM开发、嵌入式操作系统开发及完整系统开发能力，所以能够满足大部分嵌入式课程群的实验教学需求，包括数字电子技术基础、FPGA原理及应用、微机原理及接口技术、单片机原理及应用、数据结构、嵌入式操作系统、测控系统实训、毕业设计等。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明实现了以SOC FPGA作为嵌入式实验教学系统的核心控制器，遵循传统的嵌入式系统的实验课程设计规律，从浅入深设计相应的实验课程，同时为了适应SOC FPGA这种新型控制器，针对性地设计综合部分的实验内容，可以有效覆盖到自动化专业嵌入式课程群的各个课程，避免资源浪费，提高教学效果。通过该平台学生可以全面掌握嵌入式开发原理及技术。

本发明利用SOC技术，单芯片内即成FPGA和ARM，打破了传统的FPGA+ARM/DSP核架构，是软件串行执行和硬件逻辑并行执行的完美结合，能够进行软件和硬件的协同调试和软件和硬件的协同设计，能够使学生掌握最新的嵌入式设计方法，提高学生工程实践能力。

本发明针对目前嵌入式实验教学系统存在的不足，利用SOC FPGA技术，设计了基于SOC FPGA的软硬件协同设计嵌入式实验教学系统。该系统打破了传统的ARM、ARM+DSP、ARM+FPGA等嵌入式架构。结合了FPGA和ARM的优点，利用异构技术集成了双核ARM Cortex-A9的可编程FPGA，摆脱了PCB布线线宽对信号带宽的限制，弥补了FPGA软核处理器速度慢、功耗大的缺陷，提供了将FPGA和ARM硬核通过片内总线互联的SOC解决方案。同时，能够根据实际需求进行优化和裁剪，灵活地改变系统功能，并在不更换外部设备、不提高成本的情况下完成软件和硬件升级。学生可以在这个平台上实现FPGA和ARM两个方面的嵌入式系统课程教学，学生对于系统的理解和领悟也会更加深刻。通过设计合适的教学实验，针对性地设计教学实验，可以有效覆盖计算机、电子类专业嵌入式课程群的各个课程。学生在课堂上可以更深入的理解和掌握最新型混合式嵌入式系统的设计方法，有利于帮助学生建立完整的嵌入式技术知识体系，有利于培养学生的工程实践能力和创新能力。

本发明设计了基于SOC FPGA的软硬件协同设计嵌入式实验教学系统，以计算机体系结构理论为指导，以SOC FPGA嵌入式实验教学系统为平台，并以LINUX为嵌入式操作系统的教学原则，将基于FPGA的SOC嵌入式架构纳入其中。学生可以在这个平台上实现FPGA和ARM两个方面的嵌入式系统课程教学，学生对于系统的理解和领悟也会更加深刻。通过设计合适的教学实验，针对性地设计教学实验，可以有效覆盖计算机、电子类专业嵌入式课程群的各个课程。

本发明提供了标准HSMC接口，能够扩展其教学功能。既可以开发符合本专业特色的扩展开发板，也能够使用第三方供应商设计开发的兼容HSMC接口的扩展子板。本发明丰富了教学功能、教学案例，满足学生进行不同应用的嵌入式开发需求，提高学生嵌入式开发的积极性。核心控制器是利用异构技术集成双核ARM Cortex-A9的可编程FPGA。该嵌入式平台可以轻松集成或自定义外围设备。可以有效覆盖计算机、电子类专业嵌入式课程群的各个课程。该体系结构使学生可以探索嵌入式系统相关的硬件和软件问题。此外，可以扩展该体系结构，以培训学生在复杂应用背景下的嵌入式系统设计能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的嵌入式教学控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的嵌入式教学控制系统的结构示意图；

图2中：1、SOC核心板；2、实验功能扩展板。

图3是本发明实施例提供的嵌入式教学控制系统的原理图

图4是本发明实施例提供的嵌入式教学控制系统的设计流程图。

图5是本发明实施例提供的嵌入式教学控制系统的课程设计示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种嵌入式教学控制方法、系统、存储介质、计算机设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的嵌入式教学控制方法包括以下步骤：

S101：实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计。

S102：实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证。

本发明提供的嵌入式教学控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的嵌入式教学控制方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的嵌入式教学控制系统包括：SOC核心板、实验功能扩展板。

SOC核心板1，用于实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计。

实验功能扩展板2，与SOC核心板1通过HSMC总线实现互联，用于实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提供的嵌入式教学控制系统基于Intel Cyclone V全可编程SOC架构，借助其硬件、软件和I/O可编程性，实现了系统级多样性、高集成度和灵活性，实验平台包括SOC核心板和实验功能扩展板，平台的组成如图3所示，SOC核心板和实验功能扩展板通过HSMC总线实现互联。

本发明提供的嵌入式教学控制系统基于SOC FPGA的软硬件协同设计嵌入式实验教学平台。该平台能够实现FPGA和ARM两个方面的嵌入式系统课程教学，学生能够针对嵌入式不同的应用背景实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计，能够支持不同的嵌入式课程建设并有效衔接各门课程，覆盖大部分嵌入式课程群。本发明利用HSMC高速扩展中间接口实现扩展其教学功能。既可以开发符合本专业特色的扩展开发板，也能够使用第三方供应商设计开发的兼容HSMC接口的扩展子板，实现不同应用需求的嵌入式教学。

本发明利用SOC FPGA实现了ARM+FPGA嵌入式架构。FPGA具有硬件可编程、灵活性强、开发成本低、易扩展的特点，ARM具有低功耗、任务管理强、控制能力强的特点。本发明将FPGA和ARM的特点结合到教学平台上，满足嵌入式针对不同应用进行软硬件可裁剪、协同设计、体积、功耗、可靠性的要求。

SOC核心板采用Intel Cyclone V系列芯片，集成了基于双核ARM Cortex-A9硬核处理器系统(Hard Processor System HPS)，既提供了FPGA的灵活性和可扩展性，同时也兼顾了ASIC具有的高性能和易用性特点。HPS采用了双核800MHz的ARM微处理器单元，包括两个ARM Cortex-A9处理器硬核、二级缓存和存储器子系统以及调试功能模块等。SOC核心板包含不同的存储器包括NOR FLASH、NAND FLASH、DDR3 SDRAM，利用HPS内部存储控制器实现数据和程序的存储。

SDRAM为IS42R16320D，其存储空间为64MB，为实验数据存储、实验程序运行提供内存空间。

DDR3 SDRAM为43TR16256A，其存储空间为512MB，为基于操作系统的应用程序运行提供内存空间。

EPCS128为串行可配置器件，其存储空间为16MB，为FPGA实验固化可编程配置文件提供物理空间。

KSZ9021RL为10/100/1000Base-T千兆收发器，实现网络通信功能。其一端利用RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)实现与HPS内部以太网控制器连接，另一端直接连接RJ-45接口，为实验进行网络通信提供物理接口。

USB3300为USB物理层收发器，实现USB通信功能。其一段利用ULPI(UTMI+Low PinInterface)实现与HPS内部USB控制器连接，另一端直接连接USB接口，为实验进行USB通信提供物理接口。

HSMC接口为Intel高速中间接口。该接口能够扩展其教学功能。既可以开发符合本专业特色的扩展开发板，也能够使用第三方供应商设计开发的兼容HSMC接口的扩展子板。

实验功能扩展板包含嵌入式教学中常用的扩展接口，包括存储接口、人机交互接口、通信接口、数模转换模块等。实验功能扩展板能帮助学生快速理解和掌握嵌入式设计技巧，并提供设计系统的验证。

存储接口主要是SD卡接口，利用SPI总线通过实验功能扩展板与SOC FPGA实现互联，为实验数据的存储提供大容量存储空间。

人机交互接口主要包括LCD显示屏、LED灯、按键、串口、以太网接口、USB接口。以上人机交互接口分别通过GPIO控制器、UART控制器、KSZ9021RL网络控制器、USB3300控制器实现互联，为学生实验实现人机交互提供多种设备及方法。

数模转换模块主要包括ADC控制器和DAC控制器，通过SPI总线与SOC FPGA实现互联，为学生设计数模混合实验系统提供平台支撑。

本发明提供的嵌入式教学控制系统包括ARM软件设计和SOC硬件设计(HPS设计+FPGA设计)，如图4所示。利用SOC进行系统开发，硬件系统和软件系统是两个独立的过程，在约定好SOC系统功能需求和寄存器控制地址后，能够独立开展设计。学生可以在这个平台上实现全过程的嵌入式系统课程教学，学生可以清楚的看到每个实现的具体过程。这样，学生才可以真正的理解嵌入式系统的内涵。同时，学生在利用该平台开发嵌入式应用的时候，可以进一步的提高嵌入式系统的灵活性和可靠性。

本发明嵌入式教学平台利用分层设计，不同层能够满足不同嵌入式课程的教学需求。这种设计改变了嵌入式课程群不同课程不同平台效率低、资源浪费的缺点，提高了教学质量。学生可以在不同的课程中根据个人喜好进行软硬件的灵活定制，充分挖掘学生的主观能动性和创新精神，同时，也避免了由于硬件知识和调试经验不足，带来的元器件和模块损坏，也大大增加了实验的成功率，提高了学生主动参与实验教学的兴趣。

本发明提供的嵌入式教学控制系统基于SOC的嵌入式教学平台支持不同的嵌入式课程建设。如图5所示，包括数字电子技术基础、FPGA原理及应用、微机原理及接口技术、单片机原理及应用、数据结构、嵌入式操作系统、测控系统实训、毕业设计等。利用SOC嵌入式教学平台能够有效衔接各门课程的理论与实践教学，最终提升学生的创新与实践能力。

数字电子技术基础课程，利用FPGA结合开发工具QUARTUS II提供的宏功能模块既可以做门电路、组合逻辑、时序逻辑等验证性实验，也可以选择合适的数字逻辑器件开发综合性实验。例如可以使用FPGA内部宏模块lpm_dff或者7474双D触发器完成时序逻辑电路实验。

FPGA原理及应用课程，利用本发明提供的嵌入式教学平台掌握FPGA结构及原理，使用硬件描述语言进行数字逻辑设计及系统设计，并结合QUARTUS II提供的仿真调试工具完成系统设计与调试，掌握FPGA开发流程。例如QUARTUS II支持Verilog HDL硬件描述语言开发，开发完成后利用自带仿真工具编写testbench验证开发模块功能、时序。

微机原理及接口技术课程，利用FPGA技术开发运算逻辑、地址译码逻辑、总线控制逻辑等，进而掌握微处理器组成结构及工作原理。利用QUARTUS II内部QSYS开发工具，结合NIOS II软核处理器可自定制GPIO、定时器、UART、SPI控制器等，掌握微机总线技术。

单片机原理及应用课程，SOC核心板采集成了基于双核ARM Cortex-A9硬核处理器系统，通过ARM平台，让学生学习和掌握单片机的系统结构、指令系统、程序设计方法、系统扩展方法、接口应用技术等。

嵌入式操作系统课程，本发明支持uclinux、ucos、linux等嵌入式操作系统。该课程结合教学平台可以完成嵌入式操作系统的使用和移植、多任务与调度、内存管理与设备管理、嵌入式应用软件开发。

检测技术课程，本发明实验功能扩展板上支持数据采集、存储、显示等功能，可以支持搭载温度传感器、压力传感器、测速传感器等不同传感器，握基本传感器和测量电路的原理，利用采集到的数据掌握测量误差的基本分类，来源，误差处理方法等。

本发明是综合教学实验平台，能够针对不同的应用背景完成嵌入式系统的开发。培养学生独立解决实际工程和应用中的问题，培养学生能够对复杂工程问题进行分析，设计合理的解决方案。SOC作为最新的控制器架构平台，在器件架构、资源、开发环境还是应用需求上都和传统单纯基于FPGA或者ARM的嵌入式系统有所区别，因此对教学实验课程的设计提出了更高的要求。本项目基于SOC的嵌入式实验设计思路，遵循传统的嵌入式系统的实验课程设计规律，从浅入深设计相应的实验课程，同时为了适应SOC这种新型控制器，针对性地设计综合部分的实验内容，可以有效覆盖到自动化专业嵌入式课程群的各个课程。通过该平台学生可以全面掌握嵌入式开发原理及技术。

Claims (10)

1.一种嵌入式实验教学系统，其特征在于，所述嵌入式实验教学系统包括：

SOC核心板，用于实现FPGA和ARM两个方面的嵌入式系统课程教学，实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计；

实验功能扩展板，与SOC核心板通过HSMC总线实现互联，用于实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证。

2.如权利要求1所述的嵌入式实验教学系统，其特征在于，所述嵌入式实验教学系统利用HSMC高速扩展中间接口实现扩展其教学功能。

3.如权利要求1所述的嵌入式实验教学系统，其特征在于，所述SOC FPGA包括两个ARMCortex-A9处理器硬核、二级缓存和存储器子系统以及调试功能模块。

4.如权利要求1所述的嵌入式实验教学系统，其特征在于，所述SOC核心板包含不同的存储器包括NOR FLASH、NAND FLASH、DDR3 SDRAM，利用HPS内部存储控制器实现数据和程序的存储。

5.如权利要求1所述的嵌入式实验教学系统，其特征在于，所述SOC核心板的SDRAM为IS42R16320D，其存储空间为64MB，为实验数据存储、实验程序运行提供内存空间；

DDR3 SDRAM为43TR16256A，其存储空间为512MB，为基于操作系统的应用程序运行提供内存空间；

EPCS128为串行可配置器件，其存储空间为16MB，为FPGA实验固化可编程配置文件提供物理空间；

KSZ9021RL为10/100/1000Base-T千兆收发器，实现网络通信功能，其一端利用RGMII实现与HPS内部以太网控制器连接，另一端直接连接RJ-45接口，为实验进行网络通信提供物理接口；

USB3300为USB物理层收发器，实现USB通信功能，其一端利用ULPI实现与HPS内部USB控制器连接，另一端直接连接USB接口，为实验进行USB通信提供物理接口；

HSMC接口为Intel高速中间接口，扩展其教学功能。

6.如权利要求1所述的嵌入式实验教学系统，其特征在于，所述实验功能扩展板包括存储接口、人机交互接口、通信接口、数模转换模块。

7.如权利要求6所述的嵌入式实验教学系统，其特征在于，所述存储接口是SD卡接口，利用SPI总线通过实验功能扩展板与SOC FPGA实现互联，为实验数据的存储提供大容量存储空间；

人机交互接口包括LCD显示屏、LED灯、按键、串口、以太网接口、USB接口；以上人机交互接口分别通过GPIO控制器、UART控制器、KSZ9021RL网络控制器、USB3300控制器实现互联，为学生实验实现人机交互提供多种设备及方法；

数模转换模块包括ADC控制器和DAC控制器，通过SPI总线与SOC FPGA实现互联，为学生设计数模混合实验系统提供平台支撑。

8.一种运行权利要求1～7任意一项所述嵌入式实验教学系统的嵌入式教学控制方法，其特征在于，所述嵌入式教学控制方法包括：

实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计；

实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证；

实现不同课程同一教学平台实验设计及验证。

9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计；

实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证；

实现不同课程同一教学平台实验设计及验证。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

实现软硬件的灵活定制裁剪及协同设计；

实现嵌入式设计，并提供设计系统的验证；

实现不同课程同一教学平台实验设计及验证。

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