CN1333892A - 用于提供网络接入主系统的微控制器设备 - Google Patents

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Abstract

用于提供网络接入主系统的微控制器设备,包括:与主系统耦合的外围接口(8);与要接入的网络耦合的网络接口(7);与网络接口(7)耦合的存储装置(4、5),用于存储与送至和来自网络的业务有关的数据;和由微码操作并有存储器的控制单元(1),该控制单元与所有列出的装置耦合且被编程,通过检验、处理、并在从主系统到网络的通信的情况下,在单一层结构内产生标准网络协议,为主系统提供网络接入,无需使用任何独立的操作系统。

Description

用于提供网络接入主系统的微控制器设备
发明领域
本发明涉及用于提供网络接入主系统的微控制器设备，该设备包括与主系统耦合的可以视作外围单元的外围接口，和与所述要接入的网络耦合的网络接口。
现有技术描述
随着互联网应用范围的迅速扩展，电子工业特别是计算机工业的一个发展方向，是扩大不同类型和用途的装置的通信，和为这些装置建立网络接入。“网络接入”和“通信”两词是一般用语，可以按日常使用的互联网接入来理解。在本说明书中，互联网接入一词应按广泛的意义来理解，即涉及所有种类的网络接入。
按常规的网络通信办法，是在计算机间建立连接，而通信的建立和维持，由具有多层分层结构的计算机操作系统保证。网络通信是以标准的和固定的协定为基础的，一视同仁，在国际级别上亦如此。这些协定包括预定数量的各有其相应功能的协议。这些协议是在数据实际传输前的信号序列。
这些协议的详细定义和说明，构成公众的和可供使用的信息。RFC(Request For Comments，请求注释)文件包括作为标准的有效互联网协议，这些文件可以通过向NIC.DDN.MIL发送FTP或Kermit找到，地址是rfc/rfc####.txt或rfc/rfc####.PS，其中符号“####”是当省去开头的零时被请求的协议的RFC号码。举例说，地址FTP：//NIC.DDN.MIL/rfc/rfc####.txt                         或FTP：//NIC.DDN.MIL/rfc/rfc####.ps中的符号“####”，指请求的协议的RFC号码。用在本说明书中协议的RFC标识符是：
PPP协议：1661和1570和1334
IP协议：791和815和1332
TCP协议：793
在RFC中没有直接规定HTTP协议，但可以访问下述地址得到：http：//www.w3.org，而且在那里经常可找到最新的版本。
该种通信要求两端都有计算机的分层体系，有鉴于此，可用的环境和协定使没有装备基于计算机操作系统的电子装置，不可能参与任何直接网络通信。
在非常广泛的技术领域内，正在使用各种电子装置，其中，整个网络都需要它们的瞬时状态的知识，或它们的控制或调整的知识，例如用于遥测、遥控、或过程控制。需求是非常高的，但迄今为止，只能由执行该类任务的独立的计算机来满足。在大多数的实际应用中，由于价格的限制或空间、能量、或抗御天气等受限制的可用性，使用独立的计算机结构是不可能的。
发明目的
本发明的目的，是提供一种微控制器设备，能够满足上面指出的要求，并通过与标准总线连接，能为所有电子装置建立网络接入，使这些电子装置至少有某种有意义的状态或参数，以数字形式供使用。要向之提供网络接入的该类电子装置，下面称为“主系统”。
发明概述
要达到该目的，应当认识到，微控制器是小型的、质量约为克的、价格低廉又智能化的装置，可用微码编程，并且在适当的结构安排和程序下，它们能提供主系统和网络间的通信。
按照本发明，是提供一种微控制器设备，建立通向主系统的网络接入，该种微控制器设备包括：
-与主系统耦合的外围接口；
-与要接入的网络耦合的网络接口；
-与网络接口耦合的存储装置，用于存储与送至和来自网络的业务有关的数据；和
-由微码操作的控制单元，它有一存储器并与所有列出的装置
耦合，而且被编程，通过检验、处理、并且在从主系统到网络通
信的情况下，在单一层结构内产生标准网络协议，为主系统提供
网络接入，无需使用任何独立的操作系统。
由此可见，按照本发明的设备不包含任何独立的操作系统，从而能以低廉的价格制作又有低的功耗，要求的空间也小。
在一个优选的实施例中，与网络接口耦合的存储装置包括输入和输出缓存器，有控制线路与控制单元连接，输入缓存器适于存储经网络接口从网络来的数据，而输出缓存器适于存储要经网络接口传送至网络的数据。
在又一个实施例中，存储在输入缓存器中的数据被顺序处理，包括检验接收数据中包含的协议，和执行条件满足时为建立通信而要求的判定。
在该设备要建立新的网络连接之前，控制单元考察是否有足够的空闲容量可供使用，而只有找到足够可用容量时才连接。
在顺序处理输入数据时，对HTTP协议的考察包括考察“GET”和“POST”命令。如果找到“GET”命令，则读取输出缓存器中以前获得的信息，而如果找到“POST”命令，则为主系统存储收到的信息。
在又一个实施例中，控制单元中用微码编制的微程序包括产生标准的互联网协议，并在向网络发送信息的情况下，把产生的互联网协议添加到该信息中。
按照本发明的微控制器设备，能够用于所有技术领域，因为主系统能由测量物理参数(如，温度、速度、压力)的装置和由各个安全系统、加热装置构成，或由自动工业过程控制装置构成。广泛的可应用性证明，大量生产能进一步从根本上降低成本。
因此，为主系统提供简单的网络接入，开创了无限广阔的应用。
附图简要描述
现在参考附图，说明按照本发明的微控制器设备的结构设计和工作原理。附图中：
图1画出按照本发明的微控制器设备的示意结构设计；
图2是流程图，表明该设备的一般工作原理；
图3是流程图，表明输入缓存器中信号的处理；
图4是流程图，表明如何建立新的连接；
图5是流程图，表明HTTP命令的处理；和
图6是流程图，表明输出缓存器中信号的处理。
优选实施例描述
按照本发明的设备的主要任务，在于提供通向主系统的双向的网络接入，如互联网或网内接入。图1所示各单元，分别连接在与主系统及互联网耦合的双向总线之间。
该设备的主要单元由微控制器制成的控制单元1构成，微控制器有自己的存储器并有预定的存储容量，还能存储微码。该存储容量比一般用途的个人计算机的容量要小得多，通常在16kbytes以下。控制单元1与该设备的所有其他单元耦合，而其运行由以微码编写的命令控制。控制单元1的任务包括网络通信的控制、主系统的接口的服务、数据传送及与外围寄存器的连接的协调、和实现来自网络的请求。从某种观点看，该设备也可以视作主系统的外围设备，因为该设备接收主系统的数据并把它们存储在寄存器中。来自网络的请求的处理，由识别和使用适当的协议产生。通过用相同协议和施加特定操作，控制单元1能把存储在寄存器中的信息转发至网络。
网络通信不要求该设备持续地和有效地运行，在所有不活动时间，该设备自动地切换至等待模式，以利于降低功耗。控制单元1支持等待模式并产生需要的控制信号，只要该模式的所有条件都被满足。应当指出，在该设备中，控制单元1有最高的功耗。
控制单元1与它使用的微码例行程序有关。这些例行程序是操作程序的例行程序，有助于网络协议及外围接口与网络接口的适当的和后续的处理。从实际电路的实现方面考虑，哪些部分或单元建立在微控制器内，及哪些部分可以作为独立电路来制作，都是无关要紧的。在有高度集成设计的情况下，可以降低物理尺寸和功耗，价格也变少。当然，最佳的实现办法，是整个设备作为单个集成单元制作。该设备能够执行的工作范围不受集成度的影响。为便于将来扩展，建议提供的设备的存储量和处理能力要略有富裕。
该设备的重要部分由其协议解释能力构成，这与常规计算机网络提供的通信方式完全不同，而且该功能可以视作独立的协议管理器，对执行要求的功能性任务是必不可少的。
常规的通信协议使用的主要功能，由操作系统提供。按照本发明的的设备，没有独立的操作系统，因此，它不用常规的基于操作系统的通信方式。协议解释器用于执行该任务，因为除传送与协议有关的信息外，它还要评价并解释包含在协议标题内的信息。因为在计算机通信中，每个协议包含在叠加的分层体系的各层内，协议标题转发的信息，按顺序排列在所有被转发的数据包内。协议解释器利用如下事实，即任何给定信息的所有参数都包含在该数据包中。由此可见，没有必要作分层处理，从而没有必要大量的处理和存储容量。在设计网络协议时，最初的目的是使有不同构造设计的计算机之间能够通信，因此作出积木式设计和分层结构。
按照本发明的设备，不能视作提供通信的普遍使用的系统，它也不用任何一般用途的计算机，因此，没有必要使用多层系统来提供与网络的通信。通过使用单个协议解释器，整个系统变得十分简单。
回到所说的优选实施例，控制单元1与实时时钟2耦合，以提供运行需要的时间和日期数据。最好使用石英控制的时钟2，以提供足够精度的时间数据。时间数据规定的格式是时/分/秒，而日期是年/月/日。
该设备包括寄存器3，这是设备与主系统间通信的最重要的装置。主系统通过寄存器3传送信息，该信息就是后来要向网络转发的信息。寄存器3在把信息从网络转发主系统中起重要作用。该寄存器由存储电路构成，而控制单元与设备的所有总线都要访问存储在寄存器3中的信息。
输入缓存器4用于存储从网络来的数据。控制单元1能够直接解释并处理这些数据。输入缓存器4是存储电路，从网络经过网络接口7到达的数据，直接存储在该输入缓存器内。在对这些数据进行运算时，控制单元1能把更多数据写入输入缓存器4，而且还能改变数据的顺序。
输出缓存器5是该设备提供网络通信的另外的部件。在这里发生要通过网络传送的数据的存储，它就是控制单元1收集表征协议信息的存储区。输出缓存器5也由存储电路构成，数据传送的控制由控制单元1提供。输出缓存器5的内容可以直接传送至网络。
控制单元1与执行保护存储数据任务的NV RAM控制器6相连，以防万一电源失效。NV RAM控制器6不断监控电源，如果它的值下降到某个临界极限值以下，那么，例如通过提供存储器保护，使数据得以保持，以保证该设备的安全运行。只有在电源电压回到正常范围时，才能开始正常的运行。NV RAM控制器6有内部的电源，而且它含有智能逻辑电路，如果电源电压起伏不定，该逻辑电路防止任何错误的存储器控制。
按照本发明的设备用网络接口7装置与网络耦合，网络接口的任务是提供该设备需要的所有电子的和逻辑的参数，使该设备从网络看去像正常的站。单是网络接口7就能协调网络上的数据业务，它能从网络接收信息又能把该信息写入输入缓存器4。网络接口7自动地把存储在输出缓存器5的信息，传送至网络。它按照相关网络的要求执行定时功能，并监控该设备的状态。它发送关于网络状态的信息至控制单元1，并响应控制单元1的指令，把状态信息传送至网络。网络接口7是在性质上已知的、常规的单元，它可以是例如RS 232或Ethernet型网络接口。
外围接口8的任务，是在该设备与主系统间提供标准总线连接。该单元可以用，例如Philips公司的IIC总线，或用Motorola Inc.的SPI总线，或用任何其他标准总线接线制成。该设备可以用主总线和从总线两种模式，据此，电路设计人员有宽广范围的可能性可以利用。在主总线模式，由于有外围总线8提供的连接，该设备自动地接收从主系统到达的数据。如果由于任何原因，主系统不能执行与该设备那怕最低级别的通信时，能够使用该种功能。在从总线模式，该设备执行作为主系统外围装置的任务，由此，主系统既能够从网络接收数据也能够向网络发送数据。
按照本发明的设备的工作原理，现在结合流程图2至5加以说明，并举例说明如何处理从网络到达并指向主系统状态数据的请求命令。
图2的流程图表明该设备的主要功能单元的工作原理。流程图上的大写字母表示在不同流程图间建立逻辑连接的相关运行阶段。在开始命令之后，该设备执行检验功能，首先被检查的单元是网络接口7。控制单元1考察开始命令发布前的等待状态中，网络是否存在任何可能影响正常运行的失效。如果检测出该种失效，则控制网络接口，使之到达初始的基态。
第二检验阶段是检查外围接口8。控制单元1检验外围接口中的寄存器，并确定IIC总线的控制器是否正常运行。如果检测出任何失效，控制单元1将使外围接口8进入初始状态。
第三检验阶段是检查微码的完整性，其中，控制单元1计算微码完整性的控制和。如果在存储的和计算的数值间发现任何偏差，则停止运行并送出失效信号。
在检验输入缓存器4时，控制单元1只确定是否有任何缓存器包含等待处理的信息。如果找到该种信息，那么，开始输入信息的处理阶段，该阶段示于图3。该阶段与状态X相关。如果没有找到该种要处理的信息，下一步是检查输出缓存器5的状态。该检查在图3所示功能执行之后开始，这一步也可从图2和图3的状态Z看出。
控制单元1考察指示输出缓存器5状态的寄存器状态，并证实哪一个输出缓存器5包含要转发的信息。如果存在该种信息，则开始图6所示并以状态W指出的处理。如果控制单元1没有找到该种数据，则控制该设备进入等待模式。使设备进入等待模式的条件，也可以在进行其他阶段时遇到，该条件以状态V表示。
因为即使网络处于等待模式，控制单元1也能检查网络的活动性，所以在网络状态变为活动时，处理重新开始，而该种活动性将触发下一个循环。
从本发明设备的运行观点看，输入缓存器4内容的处理具有重大意义。从网络来的信息，将通过网络接口7直接写入输入缓存器4。收到的信息的处理，画在图3。为了对该过程有清楚的了解，下面解释表1所示信号序列的处理方法。表1的数据准确地表示输入缓存器4的内容。被存储的数据代表用于互联网业务的标准TCP/IP分组。表中的列表示顺序到达的信息比特的位置，而每一行对应于4字节即32比特。各行内容按顺序彼此相接。因为用于互联网业务的信号序列的详细描述，不能成为本说明书的目的，所以下面仅对理解本发明可能需要的那些信号部分，加以说明。
表10                       1                   2                   30    1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|      0×C0      |     0×21     |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|     版本     |     IHL     |     服务类型     |      总长度     |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|            识别            |   标志   |        分段偏移         |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|       运行时间       |      协议      |        标题检查和       |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                              源地址                             |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                            目的地址                             |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                   连项                   |         填充         |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|             源端口             |            目的地端口          |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                              序号                               |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                             确认号                              |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|          |              |U|A|P|R|S|F|                       || 数据偏移 |      保留    |R|C|S|S|Y|I|         窗口         ||          |              |G|K|H|T|N|N|                       |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|               检查和            |           紧急指针             |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|               选项                              |       0        |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|          G                   E                T                  |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|          A                  ·                                    H            T     |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|          M                  L                CR′          LF′  |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
分组可以分为两个主要部分，第一部分是协议的标题，第二部分是由分组载运的数据。
标题包括若干个性质不同的部分，分别是：
-PPP协议标题(表1中第一行)；
-IP协议标题(表1中行2-7)；
-TCP协议标题(表1中行14)；
-HTTP REQUEST数据(表1中行15和16)。
图3的判定和操作过程已经用小写字体的字母表示。过程的第一步a是考察，确定信号序列是否包含PPP协议标题。考察第一字节的值(表1，行1，第一字节)是否为c0。如果该值不是c0，过程随即终止而产生状态Z。如果找到预期的值，下一步是检验PPP分组(步骤b)和它的存储(步骤c)。在检验步骤中，只要考察PPP分组标题在第21比特之后是否包含信息。如果存在该种信息，则把它存储在控制单元1的有效存储器内。
在判定d中，考察IP协议标题是否接着出现。在该判定中，考察值21是否在前面的标题中存在。如果存在，那么，下一段数据属于IP协议标题，然后用操作e继续处理。否则，过程再次终止(状态Z)。对IP协议的考察要求有IP协议标题的知识。开始的四比特表示版本号码。通常用版本4，所举实施例只能处理该种版本的信号。在操作步骤e中，检验IP协议的标题，其中考察第一字段“运行时间”。如果该字段的值是0，则过程停止，而如果该值不同于0，则考察IP协议标题的控制和。该值应为IP协议标题中字节的二进制反码总和的二进制反码。判定f考察IP协议标题中给定的目的地址是否与分配给本发明设备的互联网地址相同。在相同的情况下，步骤g执行TCP协议标题的检验。该检验涉及TCP协议标题的控制和。控制和是对TCP协议标题从开始字节的值直至该分组整个长度末端的值求和。TCP协议参数的存储由步骤h执行。关于TCP协议各个参数，要指出的是，它包括长度为16比特的源端口的地址，同样长度的目的地端口地址，而这些地址用于该两部分连接时的识别。在本例的情况下，发送端的端口的地址是6843，目的地端口的值是“1”。“序号”是32比特长的数字，是数据分组中数据第一字节按连续增加次序的顺序号码。TCP协议中紧接字段“保留”的六比特，有重要意义，如果该协议是指新的连接，其中的比特SYN是1，而如果继续旧的连接，则它的值是0。该比特的考察发生在操作i。在新的连接的情况下，产生状态U，图4指出新的连接的建立。
如果连接已经在早些时候建立，那么开始步骤j，步骤j只是在TCP协议标题的基础上判定，下一信息将是HTTP协议标题。肯定的响应将产生图5所示状态T，而没有响应则由状态Z继续处理。
进来信息的处理由图5所示过程继续，其中首先判定HTTP协议中预期的“GET”字是否到达。该命令表示远程部分的请求。按照本发明的设备的基本任务，是执行进来的HTTP请求。最简单的请求包括关键字GET、一个空格、和被请求信息的标识符。被请求的信息最好是在控制单元1的存储器中能够找到的文件的地址。在本例中，该地址是：A.HTML。符号“CR”和“LF”是回车信号和换行命令，没有别的功能。
回到图5，随着命令GET的识别，本例的地址从控制单元1读取存储的文件内容，假定它是远程温度传感器信号，或是表示主系统状态的若干数据。控制单元1把这些数据填入输出缓存器5，还把由进来协议标题存储的数据产生的标准响应标题，添加到这些数据上。该操作能够通过例行微程序设计工作方法，根据互联网标准的知识而完成。
数据的传送将由图2的状态W触发，因为图2说明的操作包含对输出缓存器5内容的考察。只要在输出缓存器5中找到数据，控制单元1按图6的次序，产生要发送的分组的外向的协议标题，把它们存储在输出缓存器5中，然后把它们转发至网络。如果考察GET命令的结果是否定的，那么，控制单元在HTTP标题中搜索POST命令。找到该命令意味着信息已从网络接收，其结果是，控制单元1把与接收信息对应的数据发送至主系统。按照本发明的设备的本例实施例，不适合处理GET和POST以外的进来的命令，但是，根据本文公开的信息，能够实现许多其他功能，只是所有这些附加的功能，要求使用相关的硬件和软件单元及适当的微程序。
在图3的操作i中，考察连接是否是新的。如果是新的，则产生状态U，开始图4所示的过程。首先根据考察判定，是否有足够的可用硬件容量来处理接收的分组。按照本发明的设备，有预定数量的硬件单元和处理容量，本发明的设备不能建立多于它的有限容量决定的同时的连接。在最简单的实施例中，连接的数量最小可以是1，从而该考察只能是对接线的简单考察。如果没有找到足够的可用容量，新连接的建立将被拒绝，同时控制单元1产生适当的响应。
如果可以建立新的连接，那么，控制单元1将准备建立该连接，即向发送端发出适当的响应。控制单元1还考察进入的分组的HTTP协议后面，是否有数据到达。连接的建立只有在数据已经到达时(Y分支)才有意义，此时，处理被引导至图3的步骤j。
根据上面的例子可以看到，按照本发明的设备能够为主系统提供全数值的双向互联网接入，无需使用利用操作系统的计算机系统。已说明的控制单元1的操作方法，不要求比预期的通常微控制器更高的处理容量。
在已说明的配置中，按照本发明的设备，可以视作一种万能的装置，因为它的应用是不受限制的。主系统可以是安全系统、遥控机械装置、过程控制设备、家用的和工业的装置，其中，它们的控制和状态信息的读取能够通过标准总线进行。
由于高度的通用性，值得把本发明的设备做在单片芯片内，假如大批生产，价格能够降得足够低，不致为可能的广阔应用设置价格障碍。

Claims (6)

1.用于提供网络接入主系统的微控制器设备，包括：
-与主系统耦合的外围接口(8)；
-与所述要接入的网络耦合的网络接口(7)；
-与网络接口(7)耦合的存储装置(4、5)，用于存储与送至和来自网络的业务有关的数据；和
-由微码操作并有存储器的控制单元(1)，所述单元与所有列出的装置耦合且被编程，通过检验、处理，并且在从主系统到网络的通信的情况下，在单一层结构内产生标准网络协议，为主系统提供网络接入，无需使用任何独立的操作系统。
2.按照权利要求1的微控制器设备，其中与网络接口(7)耦合的所述存储装置，包括输入缓存器(4)和输出缓存器(5)，以控制线路与控制单元(1)连接，所述缓存器(4)适于存储经网络接口(7)从网络来的数据，所述输出缓存器(5)适于存储要经网络接口(7)传送至网络的数据。
3.按照权利要求1的微控制器设备，其中在输入缓存器(4)中存储的数据被按顺序处理，包括检验接收数据中包含的协议，和执行条件满足时为建立通信而要求的判定。
4.按照权利要求1的微控制器设备，其中在建立新的网络连接之前，所述控制单元(1)考察是否有足够的空闲容量可供使用，只有找到该可用的容量时才允许连接。
5.按照权利要求3的微控制器设备，其中，在对输入数据进行顺序处理时，对HTTP协议的考察包括考察“GET”和“POST”命令，如果发现“GET”命令，则读取所述输出缓存器(5)中以前获得的信息，如果发现“POST”命令，则为主系统存储接收的信息。
6.按照权利要求1的微控制器设备，其中控制单元(1)用微码编写的所述微程序，包括产生标准的互联网协议，并在向网络发送信息的情况下，产生的互联网协议被添加到该信息中。
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