CN1606725A - 可操作在睡眠模式和正常模式中的通信总线系统 - Google Patents

可操作在睡眠模式和正常模式中的通信总线系统 Download PDF

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Abstract

通信总线系统包括多个节点电路(10a－d)和耦合节点电路(10a－d)的中继电路(12，14，16)。中继电路(12，14，16)具有用于在正常模式中在节点电路(10a－d)之间中继消息(21)的收发信机电路(124，164)。收发信机电路(124，164)在睡眠模式中被断电。检测器电路(120，160)在中继电路(12，14，16)处于睡眠模式中时检测输入消息(41)。模式控制电路(122，162)为响应输入消息(21)的检测而对收发信机(124，164)通电。采取步骤来保证在正常模式中消息(21)将不以不可读的形式被中继。模式控制电路(122，162)被安排为在通电之后使收发信机(124，164)中继输入消息(21)的剩余部分(25)。在一个实施例中，在电源(30)在正常模式中控制电源电压之前，从电源(30)中的电容器(306)消耗发送输入消息(21)的剩余部分(25)所需的功率。在另一个实施例中，检测器电路(120，160)在正常模式开始时代替在正常模式中正常控制操作方向的另外检测器(58a－d)临时控制收发信机(124，164)的操作方向。

Description

可操作在睡眠模式和正常模式中的通信总线系统
技术领域
本发明涉及通信总线系统。
通信总线系统是用于对不同的成对节点电路之间的通信提供共享通信线路的一种公知解决方案。例如，共享通信线路的一种途径是为不同节点电路分配不同的时隙，以使每个节点电路可以在它自己的时隙内发送消息而不会与其他节点电路发生冲突。
背景技术
PCT专利申请99/46888号描述了一种总线系统，能在系统功耗低于正常操作模式时切换到睡眠模式。往往在一个可观的时间周期内可能没有一个节点电路发送消息。这一点可以开发用于降低系统的功耗。为此可在这样的周期期间将系统切换到睡眠模式。在睡眠模式中，每个节点电路中除了一个小检测电路之外的主要部分都断电。该检测用于监视通信线路上有没有活动，如果有，就触发节点电路，以便切换回到为节点电路供电的正常模式。为了尽可能降低功耗，检测电路保持最低功能，最好是只能检测消息和触发唤醒(wake-up)。为了尽可能降低功耗，在睡眠模式中最好不提供传输能力、仲裁或者甚至任何消息接收能力。
当然，系统的响应速度在睡眠模式中会下降，因为在系统能够发送消息之前首先要通过从睡眠模式切换到正常模式来“唤醒”。首先需要有一个按100kHz典型速率操作的开关模式电源在数十微秒内达到满额操作，该时间比10微秒的典型消息长度长得多。为了防止电路在重新开始接收功率时发生不可预知的行为，在电路能开始操作之前首先要使其进入通电或复位状态。接着，可能需要执行初始化程序。
在总线结构被分段(section)之间的中继(relay)节点电路分割成分段时，这一速度降低在分散的总线系统中甚至更大。在这样的分散总线系统中，必须在节点电路和中继电路之间传送唤醒消息来唤醒系统(唤醒消息可以是专用唤醒消息或在正常模式中仍然有意义的正常消息)。
然而，在中继电路首先接收到这一唤醒消息时，它仍然处于睡眠模式，因而不能中继此唤醒消息。在能够重试发送此唤醒消息之前，需要很长时间。
在一种具有陈旧星形拓扑结构(tired star topology)的总线中发生由于这种延迟而可能引起的速度降低的一个极端例子。在陈旧星形拓扑结构中，任何消息都必须有可能通过一系列中继电路在中继路径上进行中继，才能到达能够连接接收节点电路的通信线路。因而，在一个消息用于唤醒中继电路并且一个重试消息用于唤醒下一个中继电路时，沿着该路径对于每个中继电路需要一个额外的重试消息。这导致相当的延迟。
发明内容
特别地，本发明的目的是提供一种具有睡眠模式的被分段的通信总线系统，在一个节点电路开始发送消息时，该系统能够从睡眠模式中快速地醒来。
在权利要求1中描述了按照本发明的通信总线系统。按照本发明，利用消息唤醒的中继电路被布置成在中继电路的收发信机通电时的进程中落入(dropinto)该消息的剩余部分(remainder)的中继传输。在正常模式中确保以可读形式中继消息的措施被宣告无效(setaside)。当然，这意味着中继消息可能或多或少受损，这至少是因为在收发信机被通电之前缺少原始消息的初始部分。然而，在重试传输消息之前，这不会带来问题，因为第一中继消息仅仅被用于触发唤醒。仅解释此消息的重试，但是到了重试沿所有中继路径或至少一个以上中继电路发送的时候，该重试将由于原始消息而唤醒。
在权利要求2中描述了按照本发明的系统的一个实施例。在本实施例中，中继电路利用具有充电电容器的电源为中继电路的收发信机和检测器供电。充电电容器充电的速率随模式而改变。在正常模式中，例如可以采用100kHz频率的充电脉冲，而在睡眠模式中可以采用很低的频率。
在睡眠模式中，来自电源的收发信机的功耗被中断。一旦切换回到正常模式，允许收发信机在电源按正常速率为其充电之前至少部分地使用来自充电电容器的能量执行此消息剩余部分的传输。当然，这种情况在正常模式中是不能接受的，或充电电容器可能被收发信机完全放电，但是这允许至少一部分唤醒消息几乎是立即通过。这允许尽可能多的中继电路和/或节点电路在第一唤醒消息的时刻被唤醒。
在权利要求3中描述了按照本发明的电路的另一实施例。在本实施例中，至中继电路的电源提供被分阶段进行(phased)。在第一阶段中，电源尚未正常操作，截留不包括收发信机的其他电路的电源。这些其他电路仅仅在电源返回到正常操作时才接收功率。这样就能有更多的来自充电电容器的功率被用于收发信机发送输入消息的剩余部分。
在权利要求5中描述了按照本发明的电路的另一实施例。在本实施例中，一个配置电路将收发信机配置为根据接收到信息的一个输入发送从选定的一个输入接收的某些输出信息。在从睡眠模式切换到正常模式时，触发切换的检测器电路被用于选择这种配置。因而，在切换到正常模式之后，检测所要求的输入时不需要耗费额外的时间。这样就有可能传送更多的剩余部分的输入消息并因而唤醒更多的中继电路和节点。
在另一个实施例中，在正常模式中一个附加检测电路用于控制这种配置，且这一附加检测电路仅在电源操作正常时在正常模式中被接通。因而，附加检测电路能够比睡眠模式中使用的检测电路消耗更多的功率，允许更快速的检测并从而更快速操作，而在睡眠模式中不会增加功耗，或在电源正常操作之前在收发信机中继输入消息时由于消耗充电电容器而损坏收发信机。在从睡眠模式切换时利用睡眠模式检测电路控制收发信机配置选择的实施例中，附加检测电路仅在切换到正常模式之后才开始操作的事实甚至不会引起收发信机配置选择上的延迟。
附图说明
将参照以下附图利用示例详细解释根据本发明的通信总线系统和中继电路的上述及其它目的和优点。在附图中：
图1表示一种通信总线系统，
图2表示中继电路中使用的信号，
图3表示中继电路，
图4表示中继电路中使用的其他信号，
图5表示另一中继电路。
具体实施方式
图1表示一种通信总线系统。该系统包含利用中继电路12，14，16耦合的许多节点电路10a-f。第一和第二中继电路12，14是相同的并具有用于连接到节点电路10a-f和/或其它中继电路12，14，16的四个输入/输出。第三中继电路16有两个输入输出。连接节点电路10a-f和中继电路12，14，16的线路可以是电导线或光纤连接。尽管将单条线路表示为连接节点电路10a-f和中继电路12，14，16，但是将理解在实践中可以采用一条以上的线路，例如，一对电导线来传导不同的电压或电流。
更具体地，将第一和第三中继电路12，16表示为包括检测器电路120，160、模式控制电路122，162和收发信机电路124，164。中继电路12，16的收发信机电路124具有输入/输出耦合到节点电路10a-f和其它中继电路12，14，16。检测器电路120，160具有输入耦合到收发信机电路124，164的输入/输出，并且具有一个输出被耦合到模式控制电路122，162。模式控制电路122，162具有输出耦合到收发信机电路124，164。
在操作中，中继电路12，14，16能操作在正常模式和睡眠模式中。在正常模式中，中继电路12，14，16的收发信机电路124，164从节点电路10a-f接收消息，并将这些消息转发给其它节点电路10a-f。连接节点电路10a-f和中继电路12，14，16的线路支持双向的消息传输。收发信机124，164检测消息到达其哪个输入/输出上并配置它自身，以便将此消息从那个输入/输出转发到其它输入/输出。
在中继电路12，14，16在预定时间间隔期间未接收到任何消息时，模式控制电路122，162就将其中继电路12，14，16从正常模式切换到睡眠模式。在睡眠模式中，中继电路的大部分停止消耗功率，例如，以节省给此中继电路供电的电池(未表示出)。特别地，收发信机电路124，164不再消耗通过其输入/输出重发消息或准备这样做而需要的功率。
检测器电路120，160用于触发开关，从睡眠模式切换回到正常模式。检测器电路120，160在睡眠模式中接收功率并检测在中继电路12，14，16处在睡眠模式中的同时是否有任何消息到达。如果有的话，检测器电路120，160就向模式控制电路122，162发送一触发信号。在响应中，模式控制电路122，162将中继电路12，14，16切换回到正常模式。
图2表示在从睡眠模式切换到正常模式的过程期间在中继电路12，14，16中出现的信号。第一信号20表示在收发信机124，164的输入/输出之一上到达的信号。例如，图中示出差分信号20，它是利用一条信号线代表的将中继电路12，14，16连接到节点电路10a-f或另一中继电路12，14，16之一的一对导线上的电位之间的电位差。在消息21之前，电位差是零，而在消息21期间，电位差在正、负电平之间来回变换。
第二信号22是由检测器电路120，160产生的触发信号。例如，检测器电路120，160根据超过一定门限电平的电位差的出现来检测消息21，并在消息21的起点之后不可避免利用某一延迟产生一个脉冲23。为响应这一脉冲23，模式控制电路122，162将中继电路12，14，16切换回正常模式，并且特别地致使收发信机电路124，164开始消耗用于发射的功率。按照本发明，收发信机电路124，164使用此功率通过其输入/输出发射引起此触发脉冲23的消息的其余部分。
第三信号24包括由收发信机电路124，164在其另外的输入/输出上发射的此消息的剩余部分25。这一消息可以发送到节点电路10a-f或其它中继电路12，14，16。由于延迟开始，此消息有可能受损到一定程度，使得传送消息内容是没有用的。然而，按照本发明，为了使其它电路从睡眠模式切换到正常模式，无论如何都要发送此消息。
第四信号26和第五信号28包括另一个触发脉冲27，它是由另一中继电路12，14，16中的检测电路120，160为响应此消息的剩余部分25而产生的，以及包括由另一个中继电路12，14，16为响应另一个触发脉冲27而发送的其他剩余部分29。
应该注意到：另一个剩余部分29甚至比剩余部分25还要短。这是中继电路12，14，16中的延迟的结果。为了尽可能将系统从睡眠模式切换到正常模式，希望延迟尽可能短，即使这些延迟过长，从而如此多地损伤消息21，造成消息21对于传送在消息21中编码的信息是无用的。为了最小化延迟，中继电路12，14，16留出措施来确保发送有用的消息。
图3更具体地表示中继电路的一个实施例。例如图中表示出具有四个输入/输出的中继电路，但是可以采用任意数量的输入/输出。中继电路具有输入/输出32a-d，并且包括电源电路30、检测电路34a-d、模式控制电路36、收发信机电路38和另外的电路39(例如，包括微控制器)。
电源电路30具有输入300被耦合到例如电池(未表示出)的端子的外部电源端子和输出308。输出308被直接耦合到检测电路34a-d和模式控制电路36。输出308分别通过第一和第二开关37a，b耦合到收发信机电路38和另外的电路39。由模式控制电路36控制开关37a，b。输入/输出32a-d被耦合到收发信机38和相应的检测电路34a-d。检测器被耦合到模式控制电路36。模式控制电路36具有复位输出被耦合到另外的电路39。
电源电路30包含调节器电路302、开关304、二极管305、充电电容器306和电感器307。输出308被耦合到充电电容器306，以致充电电容器306上的电压构成其它电路的电源电压。输入300通过开关304和电感器307耦合到充电电容器306。开关304和电感器307之间的节点通过二极管305耦合到地。调节器电路302根据充电电容器306上的电压来控制开关304。调节器电路302具有模式控制输入被耦合到模式控制电路36。图3中除了电感器307和电容器306之外的所有的电路组件最好集成在单个集成电路中。电感器307和电容器306通过电路的外部引脚(pin)耦合到集成电路。
此电路能够在正常模式和睡眠模式中操作。在正常模式中，模式控制电路使第一和第二开关37a，b导通，从充电电容器306向收发信机38和另外的电路39供电。在睡眠模式中，模式控制电路使第一和第二开关37a，b不导通，因此收发信机38和另外的电路39不接收电源。
在睡眠模式中，检测电路34a-d也检测在输入/输出32a-d上是否有任何消息到达。如果有的话，检测电路34a-d就触发模式控制电路36，从而将中继电路切换到正常模式。
图4表示切换到正常模式时所牵涉的信号。第一信号40表示到达输入/输出32a-d之一上的消息41。第二信号42表示为响应这一消息41而由输入/输出32a-d之一产生的触发脉冲43。第三信号44是模式控制电路36为响应触发脉冲而提供给第一开关37a(它控制至收发信机38的电源)和电源30的一个控制信号。第三信号44为响应触发脉冲而进行一个转换(transition)45。
电源30调节其输出308上的电压。为此目的，调节器电路302对于短时间间隔周期性接通开关304。调节器电路302例如调节这一时间间隔的长度，以使充电电容器306上的电压保持为平均等于一个理想电压。调节器电路302接通开关的周期的频率在睡眠模式中远远低于正常模式。例如，在正常模式中，此频率是100kHz，而在睡眠模式中，此频率可能只有10Hz。因为中继电路在睡眠模式中仅仅消耗少量功率，所以这样低的频率是有可能的。
在第三信号44中的转换45之后，调节器电路302从睡眠模式中使用的低频切换到在正常模式中使用的较高频率，以便在正常模式中支持较高的功耗。第四信号46表示用于开关304的控制脉冲。脉冲之间在转换45之前的距离要远远小于其在转换45之后的距离。而且，在转换35前、后，此距离一般大于消息41的长度。此距离没有按比例绘制，而仅仅是表示脉冲之间不同距离的原理。
切换到更高的工作频率需要调节器电路302启动一个反馈环路，能够利用比睡眠模式中高得多的调节速度来调节电源的输出电压。这在反馈环路达到稳态之前花费一定时间，该时间往往是给开关304提供许多脉冲所需要的时间。
收发信机38在电源30接收到提高其工作频率的信号时开始接收电源。第六信号47表示被收发信机中继的消息41的剩余部分48。应该注意到：在电源30能够响应切换回正常模式之前，剩余部分的传送开始。因而，收发信机38在睡眠模式中操作期间使用事先加载到充电电容器306上的电荷，以便发送消息41中尽可能多的剩余部分48。
根据是否包括这样的另外电路39以及这些另外电路是否由电源供电，另外的电路39和第二开关是可选择的。第七信号49表示从模式控制电路36到第二开关37b的用于提供另外的电路39的控制信号。第七信号49仅在电源30开始正常操作时对这些电路供电。直至此时，模式控制电路36才向另外的电路39发送一复位信号，以使这些电路保持在复位状态中，并使这些另外电路39在正常电源可利用时从规定的状态开始工作。应该注意到：收发信机38不接收这样的复位信号，并因此即使电源30尚未正常操作以及消息41的大部分已经被放过也能中继消息41的剩余部分48。
将认识到，不脱离本发明还有可能对图3中所示的实施例做出许多变更。例如，如果不需要的话，可以省略另外的电路39，和/或对于发送消息41的剩余部分48是不需要的收发信机38中的那一部分可以仅仅在电源30准备好时开始接收功率，或在电源电路30准备好之前可以接收复位信号。在至收发信机38和另外的电路的电源连接中不用开关37a，b，而可以使用这些电路内部各处的开关来降低这些电路的功耗。
只要电源电路能够在模式控制电路切换回正常模式时快速提供电源电流，也可以使用其它类型的电源电路30。在使用充电电容器时，就可以使用另一种具有充电电容器的电源电路，例如，具有从输入300到充电电容器的持久电流的电路，有可能用一个与开关304并联的小晶体管(未表示出)来在睡眠模式中传导这一电流，同时使开关304保持为不导通。
其它通信线路例如光纤可以用于替代至和自收发信机38的输入/输出的导线。也可以用其它方式来执行消息的检测，而不通过差信号与门限值的比较。
图5表示中继电路的另一实施例。除了图4中所示的组件之外，该图还表示了接收机电路50a-d和发射机电路53a-d、配置电路54、多路复用器56和另外的检测器58a-d。接收机电路50a-d具有耦合到相应的输入/输出32a-d的输入以及耦合到多路复用器56的输出。发射机电路具有耦合到多路复用器56的输出的输入以及耦合到相应输入/输出的输出。另外的检测器58a-d具有输入耦合到输入/输出。检测电路34a-d和另外的检测器具有输出耦合到配置电路。配置电路54具有模式控制输入耦合到模式控制电路36。配置电路54具有模式控制输入耦合到模式控制电路36。配置电路54具有输出耦合到发射机电路52a-d的启动输入和多路复用器56的控制输入。
在正常操作模式中，配置电路54控制输入/输出32a-d之间的传送方向。在另外的检测器58a-d之一在其输入/输出32a-d上检测到一个消息的开始时，就将这一开始传送给配置电路54。配置电路54随后切换到用于从这一输入/输出32a-d输入的配置。在这种配置下，配置电路54启动发射机52a-d接通其他输入/输出(保持禁止，发射机耦合到已开始消息的输入/输出32a-d)，并指示多路复用器56将消息从接收此消息的那一接收机50a-d传送给发射机52a-d。只要消息还在继续，配置电路54就维持这一配置。
另外的检测器58a-d在睡眠模式中不接收功率。在从睡眠模式到正常模式转换时，配置电路54进入其中根据来自操作在睡眠模式中的检测电路34a-d的信号来选择配置的状态。忽略随后的来自另外的检测器58a-d的检测信号，直至该消息结束。因而，就不会耗费时间等待另外的检测器58a-d通电，并且在这些另外的检测器58a-d通电期间没有出现差错的风险。最好，仅在另外的电路39通电时才接通另外的检测器58a-d的电源，由此在正常模式操作的开头降低来自充电电容器306的功率消耗。
在另一个实施例(未表示)中，另外的检测器58a-d的输入被连接到接收机50a-d的输出而不是如图5中所示的输入。这样，另外的检测器就不需要对信号进行放大或滤波(因为这由接收机50a-d完成)。这在实现时不会因为接收机从睡眠模式切换到正常模式的接通延迟而造成延迟，因为检测电路34是在该转换之后控制该配置的。
时隙多路复用协议可以用于给有权发送消息的节点电路10a-f分配时隙。在这种情况下，配置电路54可以不根据时间而根据另外的检测器58a-d的检测或仅仅不根据这种检测来选择配置。例如，配置电路可以被安排为对接收到同步信号之后的时隙数进行计数，并且利用此计数来选择配置，有可能在检测器58a-b在相关时隙内没有检测到消息时禁止发射机52a-d。在这种情况下，在从睡眠模式到正常模式的切换时，配置的选择最初仅仅是由检测电路34a-d确定的，而与时隙无关。因而，配置电路54在睡眠模式中就不需要对时隙计数，且在其启动发射机52a-d以发送消息41的剩余部分48之前不需要处理同步信号。
将理解，相对图5有可能作出许多变更。例如，多路复用器56的功能可以通过在每个接收机50a-d的输出端上包括一个三态驱动器、集电极开路电路或漏极开路电路来实现。在这种情况下，这一三态驱动器或漏极/集电极开路电路的输出可以交叉连接到接收机50a-d的输出和发射机52a-d的输入，也就是说，如果配置电路54具有输出以启动接收机50a-d之一，而无论在那个接收机50a-d的输入上能否检测到消息。
一般来说，也就是，不限于图4和5的实施例，在由于需要通电和/或在从睡眠模式切换到正常模式之后对电路进行初始化的需求而可能出现延迟的任何一点上都可以采取措施来减少这种延迟。在实施例中，这是通过选择地分配等待周期(例如，在电源正常操作之前的等待周期)来实现的，或在进入正常模式之前采用替代电路(例如检测器)来执行在开始传送消息的剩余部分之前所需要的功能。
而且，能够为中继电路增加本地消息源。不需要检测器来检测来自此消息源的消息，因为中继电路必须离开睡眠模式才能发送来自这样的消息源的消息，对于这种内部消息源，可以省略用于确保尽可能多地发送剩余部分的步骤。

Claims (7)

1.一种通信总线系统，包括多个节点电路(10a-d)和耦合节点电路的中继电路(12，14，16)，中继电路(12，14，16)可操作在睡眠模式和正常模式中，其中中继电路(12，14，16)包括：
收发信机电路(124，164)，用于在正常模式中在节点电路(10a-d)之间中继消息(21)，收发信机电路(124，164)在睡眠模式中被断电并在正常模式中被通电；
检测器电路(120，160)，用于至少在中继电路(12，14，16)处于睡眠模式中时检测输入消息；
模式控制电路(122，162)，用于为响应检测器电路(120，160)对输入消息(21)的检测而给收发信机通电，其中模式控制电路(122，162)被安排为在通电之后使收发信机(124，164)中继输入消息(21)的剩余部分(25)。
2.按照权利要求1的通信总线系统，其中中继电路包括：
具有充电电容器(306)的电源电路(30)，电源电路(30)至少可操作在睡眠模式和正常模式中，电源电路(30)被安排为在模式控制电路(36)的控制下在睡眠模式中以比正常模式低的速率对充电电容器(306)充电；
检测器(34a-d)，在睡眠模式中从充电电容器(306)接收功率；
收发信机电路(38)，被耦合到充电电容器(306)，收发信机电路(38)包括中断电路(37a)，用于中断收发信机(38)消耗来自电源电路(30)的功率；
模式控制电路(36)，被安排为在检测到输入消息(41)时解除所述中断，模式控制电路(36)在从睡眠模式至正常模式的切换期间电源电路(30)开始提供较高的充电速率的时间之前使收发信机电路(38)开始中继输入消息(41)的剩余部分(48)。
3.按照权利要求2的通信总线系统，模式控制电路(36)被安排为在睡眠模式中禁止中继电路中除收发信机(38)之外的其他电路(39)对电源电路(30)的功率消耗，直至从睡眠模式切换到正常模式之后电源电路(30)开始提供较高的充电速率为止。
4.按照权利要求1的通信总线系统，中继电路包括：
用于消息的多个输入和输出(32a-d)；
配置电路(54)，用于配置收发信机电路(50a-d，52a-d)从输入(32a-d)之一朝向至少一部分输出(32a-d)的中继操作的方向；
检测电路(34a-d)，被耦合到配置电路(54)，用于根据检测电路在睡眠模式中检测到所述消息的那一个输入(32a-d)的检测来配置中继输入消息(41)的剩余部分(48)的方向。
5.按照权利要求1的通信总线系统，中继电路包括另外的检测电路(58a-d)，用于在正常模式期间检测消息从哪一个输入到达，并且用于控制配置电路(54)以便对于所述输入消息之后的至少一个另外消息在正常模式中按照所述一个输入(32a-d)来配置所述方向，另外的检测电路(58a-d)提供比检测电路(32a-d)更快速的检测并在睡眠模式中被断电。
6.按照权利要求4的通信总线系统，其中总线系统可根据时隙多路复用协议操作，中继电路包括维持至输入(32a-d)的时隙分配的时隙选择单元(54)，以控制配置电路(54)在分配给每个特定输入(32a-d)的时隙中从每个特定输入(54a-d)启动中继消息，其中在从睡眠模式到正常模式的切换期间，由检测电路(34a-d)接管所述启动。
7一种中继电路，用于根据前述任何一项权利要求的通信总线系统中，该中继电路包括：
收发信机电路(124，164)，用于在正常模式中在节点电路的端子之间中继消息(21)，收发信机电路(124，164)在睡眠模式中被断电并在正常模式中被通电；
检测器电路(120，160)，用于至少在中继电路(12，14，16)处于睡眠模式中时检测输入消息；
模式控制电路(122，162)，被安排为给收发信机(124，164)通电以响应检测器电路(120，160)对输入消息(41)的检测，其中模式控制电路(122，162)被安排为在通电之后使收发信机(124，164)中继输入消息(21)的剩余部分(25)。
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