CN201194106Y - 计算机系统装置及移动储存装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型计算机系统装置及移动储存装置，非挥发性内存经由内存控制器与芯片组相连接，非挥发性内存内部的数据提供一操作系统运作并经由芯片组加载到主存储器内部，并且内存控制器对非挥发性内存内部做必要区块管理及区域定义，以增进内存的使用效率及提供数据适当的储存位置，同时前述的内存控制器进一步嵌入于芯片组内或是将内存控制器的部份功能嵌入于非挥发性内存内。本实用新型基于发展计算机的可移动性操作系统的需要，必须先解决计算机操作系统对计算机硬件装置的依赖性。本实用新型提供经过定义的装置驱动方式可以发展成独立于硬件条件的计算机操作系统，结合可携式储存装置便完成具备可携式特性的移动操作系统。

Description

计算机系统装置及移动储存装置

技术领域

本实用新型有关于一种计算机操作系统(OperatingSystem)及使用该操作系统的移动储存装置，此操作系统将依据由计算机系统所提供的装置驱动讯息来完成操作系统的安装及工作，因此提出了一个的计算机系统架构，在此架构下可以构成一个寄生操作系统(Parasitic OperatingSystem，POS)的环境，此架构迥异于目前现行的计算机架构，主要目的为达到操作系统可携式的设计目标。

背景技术

目前的操作系统不论为分时系统、平行系统或是桌上型个人计算机系统，均必须取得对各个计算机硬件装置的详细工作程序，而这部份的软件组件必须由各个装置供货商针对不同的操作系统所开发完成，也就是一般所称的驱动程序(Driver)。透过驱动程序的安装，操作系统才能正确地使周边装置正常工作。也因此在面对各种计算机内部各式各样的硬件装置，也就大大地增加了操作系统可携式的困难度，就早期针对IBM-PC所开发出来的微软磁盘操作系统(MS-DOS)而言，虽然具备了可携式的特性，但其仍须具备适当的驱动程序来工作，只不过当时的计算机接口设备单纯、功能简单，所以使用者大都可以经由MS-DOS操作系统使用大部分计算机的功能。

但是目前的操作系统已具备分时多任务的能力，同时具备处理大量讯息的能力，例如：多媒体信息等，依据使用者需要而必须协同多种不同周边装置来完成工作，因此已经丧失了可移植性的特色，使用者必须于计算机中先安装完成操作系统于硬式磁盘驱动器(HDD)后，才能开始使用计算机。

实用新型内容

为了完成一个适当的平台来发展可携式操作系统，本实用新型的目的是揭露了一个计算机硬件及软件架构，利用这个架构就可以提供程序设计师发展不同功能的可携式操作系统，而此操作系统可以工作于现行不同的操作系统上，例如：Windows XP、Windows 2000、Windows Vista等，本实用新型提供一种计算机系统装置及使用其操作系统的移动储存装置。

本实用新型提供的计算机系统装置，其由下列元件构成：一中央处理单元、一芯片组、一主存储器、一非挥发性内存、一内存控制器，其特征在于：该非挥发性内存是经由内存控制器与芯片组相连接，该非挥发性内存内部的数据提供一操作系统运作并经由芯片组加载到主存储器内部，并且该内存控制器对非挥发性内存内部做必要区块管理及区域定义，以增进内存的使用效率及提供数据适当的储存位置，同时前述的内存控制器可以进一步嵌入于芯片组内或是将内存控制器的部份功能嵌入于非挥发性内存内。其进一步包括一可分离的储存存储元件，该储存存储元件储存操作系统并与计算机主机相连接，连接后并将该操作系统加载到主存储器内部，提供计算机工作所需的操作系统。其中储存于非挥发性内存中的数据为计算机周边装置所需的驱动程序，该驱动程序系提供操作系统驱动计算机周边装置所必需的软件程序。其中操作系统为一暂驻操作系统，提供使用者短期使用计算机。其进一步包括一混合式硬式磁盘驱动器，该混合式硬式磁盘驱动器内并包括一非挥发性内存。其中位于混合式硬式磁盘驱动器中的非挥发性内存为一闪存元件所构成。其与芯片组相连接的非挥发性内存接口是采用ONFI接口。其与芯片组相连接的非挥发性内存是采用闪存元件或相变内存元件所构成。

本实用新型型提供的使用其操作系统的移动储存装置，其包括有一内存控制器及一非挥发性内存单元，该内存单元内部储存一操作系统，该操作系统经过读取及加载储存于计算机内部的装置驱动程序后工作于该计算机平台。其中非挥发性内存单元是由闪存元件或相变内存元件所构成。其中该操作系统为一暂驻操作系统，提供使用者短期使用计算机。其中该操作系统于连接计算机主机后，独立执行计算机开机的程序，并读取及加载储存于计算机内部的装置驱动程序者。其采用USB为接口的非挥发性内存数据储存装置或是采用智能棒接口及其规格的非挥发性内存数据储存装置。其采用PCI Express接口及PCI Express卡做为该移动储存装置。

本实用新型型的有益效果：

本实用新型基于发展计算机的可移动性操作系统的需要，必须先解决计算机操作系统对计算机硬件装置的依赖性。本实用新型便揭露出一个崭新的计算机系统装置，可以提供经过定义的装置驱动方式可以发展成独立于硬件条件的计算机操作系统，结合可携式储存装置便完成具备可携式特性的移动操作系统。

附图说明

图1为示意图，其绘示Intel 975X芯片组计算机系统架构图。

图2为示意图，其绘示本实用新型一较佳实施例的计算机架构方块图。

图3为示意图，其绘示本实用新型的内存档案系统方块图。

图4为示意图，其绘示本实用新型的软件层之架构示意

图。

图5为示意图，其绘示本实用新型的计算机暂驻操作系统植入流程示意图。

图6为示意图，其绘示本实用新型的计算机原始操作系统回复流程示意图。

图7为示意图，其绘示本实用新型的计算机开机流程示意图。

具体实施方式

以Intel 975X计算机架构为例说明，请参考图1，图1为以Intel 975X系统芯片组为核心的计算机系统架构图。其主要由下列部份所形成，依序分别为：中央处理单元(CPU)101、北桥芯片(Intel 975)102、南桥芯片(ICH)103、主存储器(DDR)104、硬式磁盘驱动器(HDD)105、基本输入/输出系统(Basic Input Output System，简称BIOS)106、显示器107及各种输出入设备108等。

计算机在电源开启后，先由BIOS 106执行对中央处理单元101及各控制器装置的检查工作并初始化内存、主机板芯片组、显示卡及外围装置等，完成后再将操作系统依序从硬式磁盘驱动器105加载到主存储器104中，中央处理单元101再从主存储器104读取数据加以执行操作系统，当操作系统完成所有硬件装置驱动程序的加载及必要的软件注册程序后，便将控制权交给使用者，等待使用者的后续命令。而前述过程中所涉及的驱动程序必须在使用者于第一次安装操作系统时便加以输入安装，或于使用者增添扩充额外硬件装置时，告诉操作系统安装，操作系统无法自行安装驱动程序，当然可以利用事先预置的方式来执行驱动程序的自动安装，但仍无法对所有的硬件装置及未来新的硬设备来完成安装。同时这样的计算机架构，对于发展一个移动式操作系统而言，除非对硬式磁盘驱动器的作业方式另外进行技术规范，否则基于目前的技术是无法从计算机的硬式磁盘驱动器105中的操作系统直接取得原本常驻在该计算机内的所有装置驱动程序，因此增加了发展移动式操作系统的困难度。

为解决此一困境，计算机架构必须加以改变。请参考图2，本实用新型所提出的计算机架构如图2，其中与图1明显不同的地方，便是在南桥芯片103上设计了一个闪存模块(Flash memory module)110，该模块110连接一个闪存控制器(Flash memory controller)111。其中该内存控制器111除了提供管理闪存的数据存取外，还需负责与南桥芯片103作命令的沟通及必要的讯号联系，当然该控制器也可以集成化于南桥芯片103上而简化该非挥发性内存模块110的设计。当然也可以利用其它不同技术的非挥发性内存实现与闪存相同的功能，例如：相变内存(Phase Change Random AccessMemory，PCRAM)等。因此广义而言，此处实为一非挥发性的内存模块110，而为了避免冗长的赘述及便于阅读，于图二及后文说明中，仅举闪存模块作为说明例。

而该闪存模块110最主要的任务便是加载及储存计算机内所有硬件装置的驱动程序，这样的架构便可以提供一个外部暂驻操作系统(Transient Resident Operating System，简称TROS)提取该计算机内所有装置的驱动程序，也因此该暂驻操作系统(TROS)得以正确执行计算机各种硬件周边工作。而为了协助暂驻操作系统有效及正确地提取驱动程序，必须对闪存模块110内的数据作一个档案系统来管理，以便于暂驻操作系统能快速地依据使用条件安装系统必要的资源。

另请参考图3，图3所示为一个档案系统的范例，其中载明了驱动程序的种类、相对应的硬件装置、程序的大小、版本的纪录、使用者模式、程序起始位置及程序代码区等，这些数据均分别储存于事先规划好的内存区域，这些区域包括有档案表头(File Allocation Table，简称FAT)、程序代码区等，这些规格均可经由工业界共同制定统一的标准，如此，暂驻操作系统就可以依据此档案系统快速有效地安装硬件装置工作所需的驱动程序。

在图2中的内存控制器111除了完成接口讯号的协议工作外并透过接口完成对芯片组的工作响应，同时也负责：

1.处理及规划内存内部之内存区块(Memory blocks)的管理；

2.配合前述的档案系统来分配适当的内存区域位置来储存及读取数据。

前者可以维护内存单元(Memory cells)的可靠度及内存模块的使用年限；而后者可以增进资料的的使用效率，此点与目前在主机板上仅用于存放BIOS的PROM技术是有所不同的。

此外，针对未来不同暂驻操作系统间对装置驱动程序的兼容性考虑，也必须对驱动程序与暂驻操作系统间的接口制定统一的软件层界面。请参考图4，图4所示即为一软件层示意图，其中暂驻操作系统(TROS)200透过驱动规划接口(Driver Programming Interface，简称DPI)210来完成对装置驱动程序220的登记及嵌入动作，其中的驱动规划接口可以视为软件开发工具(Software Development Kit，简称SDK)的一部分，但是与传统软件开发工具不同的是，其所针对发展的是一个与硬件装置230有关的低阶驱动程序而不是架构于操作系统上的高阶应用程序，如此对撰写装置驱动程序的工程师而言，便不需理会未来市场上各式各样针对特定任务所开发出来的暂驻操作系统(TROS)其细部设计，而只需要取得该暂驻操作系统(TROS)所提供的驱动规划接口(DPI)服务来开发装置驱动程序即可，因此可以快速撰写完成装置的驱动程序。同理，对于暂驻操作系统(TROS)开发工程师而言，也无需烦恼市面上为数众多的计算机周边装置及其驱动程序，只需针对标准的驱动规划接口(DPI)处理软件程序的规划与撰写适当的驱动规划接口服务程序即可，而简化了暂驻操作系统(TROS)的开发设计输入，同时也确保了暂驻操作系统(TROS)与驱动程序间的兼容性。

经由上述的方法，即可以解决暂驻操作系统(TROS)对驱动程序搜寻及加载的问题，在此必须加以说明的是：经由驱动规划接口(DPI)所发展的驱动程序不必然相同于主机原本原始操作系统(Intrinsic Operating System，简称IOS)中的驱动程序。

因此，本实用新型提出了一个基于非挥发性内存模块设计的计算机结构并利用此非挥发性内存模块110作为储存该计算机内部装置的驱动程序的记忆媒体。比较目前既有的计算机结构而言，请再参考图1，因为该计算机缺乏一个非挥发性记忆模块，所以该装置驱动程序只能储存于同样具有非挥发性记忆特性的硬式磁盘驱动器105内，但是这样的计算机架构，将提供暂驻操作系统(TROS)侵入原本已安装于硬式磁盘驱动器105内的原始操作系统(IOS)的机会，而形成信息安全管理上的后门及漏洞，因此不是最佳的解决方案。同时利用本实用新型所提出的计算机架构，可以充分发挥该非挥发性内存模块的特性来发展各种应用程序，其特性具备有：

1.电路系统独立于硬式磁盘驱动器105的作业环境；

2.断电后数据依然存在于内存内部；

3.不占用主存储器104的资源；

4.经由内存控制器储存数据，并管理记忆区块。

然而为了将所开发的暂驻操作系统(TROS)达到可携式的目的，仍然需要一个外置式的移动储存器件，除了使用传统的光盘片或磁盘片外，若考虑数据加密程序及可能来自主机端指令的处理要求，具有内存控制器(Memory controller)的储存器件应为较佳的选择，因此可以采用目前广为消费者所使用的USB行动碟，该USB行动碟便是一种以USB为接口的非挥发性内存数据储存装置，其中即包括一内存控制器(Memoryc ontroller)，因此符合上述的设计需求。另外，如要进一步达到移动储存器件具备轻薄短小及薄型卡片化的结构要求，则可以采用智能棒(Intelligent Stick)接口及符合其工作规格的非挥发性记忆卡，其除了多媒体接口(MMS)外，同样也具备了USB接口的功能可与标准USB接口做连接，与传统的USB非挥发性内存数据储存装置相比较，智能棒(Intelligent Stick)可以提供一个较佳的解决方案；当然工作接口的选择是多样化的，例如：PCI Express、SATA、IEEE 1394等这些目前在计算机平台中普遍存在的高速接口，也可以用来做为发展上述移动式操作系统的储存载具，例如PCI Express Card等。至于其它广泛使用于数字相机、行动电话等多媒体产品中所使用的记忆卡，例如：SD卡、MMC卡、micro SD卡等，由于其工作接口并非传统计算机平台中所使用的标准接口，因此在学术界及产业界尚未将这些接口整合进计算机平台标准前，并不适用于作为一个计算机移动式操作系统的储存载具。

请继续参考图5，图5所示为计算机暂驻操作系统(TROS)植入工作流程图。首先当主机侦测到外部储存媒体连接后(步骤301)，中央处理单元101侦测该储存媒体是否具有暂驻操作系统200(步骤302)，若具有暂驻操作系统200则将对主机的工作进行必要的中断程序，也就是除了必要的装置外，如：显示卡等，将清除不必要的周边装置的工作，并将主存储器内原始操作系统(IOS)的数据释放出来到闪存模块110或硬式磁盘驱动器105中(步骤303)，其中可依据暂驻操作系统200及原始操作系统(IOS)的需求释放一定比例的主存储器空间成为自由加载内存区域(Free-load memoryzone)，该区域中应保留一部份作为回复记忆区域(Memoryzone for re covery)使用，而原先被储存的内存内部数据及中央处理单元101内部的相应的快取及旗标数据则被暂时地储存在闪存模块110内或主机的硬式磁盘驱动器(HDD)中，接着将暂驻操作系统200加载到自由加载内存区域(步骤304)，并且将一回复程序指令程序(Recovery program)加载到前述的回复记忆区域，其中的回复程序指令程序可由暂驻操作系统200提供也可以设计由原始操作系统(IOS)提供，接着中央处理单元101开始执行暂驻操作系统200对驱动程序的要求及加载工作(步骤305)，当驱动程序自非挥发性内存模块110内加载完成后暂驻操作系统200即将使用权交给使用者进入待命状态(步骤306)。如此即完成将计算机操作系统更换成为暂驻操作系统200的程序，使用者便可以利用这部计算机来执行使用者自己的操作系统及应用程序，同时由于暂驻操作系统200已经正确安装各项驱动程序，因此使用者也可以使用连接于该计算机的各种周边装置，如：显示卡、声卡、打印机、网络卡等，如此的系统设计便可以帮助使用者利用轻薄短小的储存媒体来随手携带操作系统及数据，而大幅减少携带笔记型计算机的次数，同时也具备与笔记型计算机相同甚至优越的计算机硬件环境。

请再参考图6，图6所示为一计算机原始操作系统(IOS)回复的流程示意图。当移除暂驻操作系统200后(步骤401)，中央处理单元100首先将从主存储器之回复记忆区域中执行操作系统回复程序，并依该程序开始清除暂驻操作系统200留存于主存储器内的数据(步骤402)，然后将原本储存于闪存模块110内或主机的硬式磁盘驱动器105中数据重新加载到主存储器104内(步骤403)完成主存储器104数据回复动作。完成回复程序后，中央处理单元104开始执行原始操作系统(IOS)并恢复各缓存器(Register)的状态，同时重新呼叫并检查周边装置(步骤404)，最后将指挥权重新交由原始操作系统(IOS)并恢复成为暂驻操作系统200接管计算机系统前的操作状况并进入待命状态(步骤405)，等待下一位使用者使用。

综上所述，本实用新型所揭露者乃为一计算机架构及其工作方法，其在操作系统运行下可以随时接受一个外部的临时操作系统，并将计算机控制权暂时交予这一临时操作系统，前者操作系统我们称为原始操作系统(IOS)，而后者的临时操作系统我们称为暂驻操作系统(TROS)。然对于这一个计算机架构与开机作业流程中，只要经过适当的设计便可以直接由暂驻操作系统(TROS)完成开机作业，并不一定必须由原始操作系统(IOS)来启动暂驻操作系统(TROS)，如此可以增加暂驻操作系统(TROS)的使用灵活度，此外，如果该暂驻操作系统(TROS)是针对特定功能而设计开发，例如：会议简报操作系统、邮电操作系统(Email、MSN)、网络电话操作系统、远程安全监控操作系统等，只要经由妥当的设计，该暂驻操作系统(TROS)可以更有效地利用系统的装置，而不需使用额外不必要的系统资源，例如：需要海量存储器处理的绚丽3D窗口显示等，而达到比原始操作系统(IOS)更快的计算机运算及数据作业处理速度以及更短的开机作业时间，因此由暂驻操作系统(TROS)服务所形成的寄生操作系统(POS)工作概念，可以提供给消费者在操作系统的产品上有更多样化的选择及满足更高作业效率的要求。

请参考图7，图7所示即为此计算机系统开机流程图，经由此流程的安排便可由暂驻操作系统(TROS)执行系统开机的作业。今说明如后：当电源开启后(步骤501)，BIOS 106于执行完必要的装置检查后(步骤502)，将首先侦测计算机外部储存器件内是否含有可供开机作业的暂驻操作系统200(步骤503)，若没有则再由计算机系统内原始操作系统(IOS)执行开机作业步骤(504)，完成系统开机任务(步骤506)；反之，若侦测计算机外部储存器件内含有一暂驻操作系统200则由该暂驻操作系统200直接启动开机程序(步骤505)并自计算机的非挥发性内存110内取得并加载装置的驱动程序，完成系统开机任务(步骤506)。此方式与早期储存于软式磁盘(Floppy Disk)的MS-DOS操作系统开机作业类似，但与MS-DOS不同的是这个暂驻操作系统200将会依据前述技术方法自计算机系统加载周边驱动程序完成开机作业。虽然随着后来硬式磁盘(HDD)的发明与普及，MS-DOS也已直接随着驱动程序安装于硬式磁盘(HDD)中而进行开机作业，但一如前文所述，这同时也失去了一个操作系统可携式的特性，往后随着操作系统不断地发展，功能不断地提升，人们也就脱离不了随身携带笔记型计算机的宿命，究其根本原因，也就是操作系统早已与计算机硬件嵌入融合于一，使得使用者必须同时携带计算机硬件与软件才能完成工作。

因此，利用本实用新型图2的计算机硬件架构，配合图5、图6及图7的软件操作程序及前述相关的软件接口规范，便可以规划出一个寄生操作系统(POS)的概念及其发展蓝图。通过寄生操作系统(POS)的概念实现及暂驻操作系统(TROS)的完成，使用者不必再携带复杂的桌上型操作系统，如：Windows Vista，及笔记型计算机，同时也创造出开发各种特定用途、功能强大的微型操作系统的市场及商机，完全跳脱了传统计算机使用的经验及法则，充分具备了创新的思维与技术手段。

请再参考图2，其中所示的硬式磁盘驱动器105也可以进一步利用混合式硬式磁盘驱动器(Hybrid HDD)，这是一种将闪存元件置入机械式的硬式磁盘驱动器而形成的所谓混合式硬盘机，将此种混合式硬式磁盘驱动器(Hybrid HDD)使用于本计算机架构中，可以将中央处理单元101内部必要的数据，如旗标值、缓存器值等储存于硬盘中的闪存内部，请参考图5的(步骤304)流程，以增加操作系统切换工作的速度与效率。

随着半导体技术的不断进步，当闪存的读写速度达到高速的要求，便可以将图2所示的闪存模块110及内存控制器111连接于北桥芯片102上，以增进数据于闪存模块10与主存储器104之间传输的速度与效率，当然此时的内存控制芯片111也可以利用半导体集成技术，整合于北桥芯片102上，同理，该内存控制器111也可以进一步设计成嵌入于闪存芯片内，或是将部分功能整合进闪存芯片内，比如说：对闪存区块的管理机制，以简化内存控制芯片本身的设计，如此则可以进一步采用由Intel、Hynix、Sony等公司所共同制定的ONFI接口规格来设计内存系统，其中ONFI为英文『Open NAND Flash Interface』的缩写。

由上述硬件架构及软件程序观之，寄生操作系统(POS)中的暂驻操作系统(TROS)与原始操作系统(IOS)均为分时独立的作业，因此并不会彼此互相干扰，若考虑到双方信息的安全性，则必须在安全机制下进行使用者身份的认证与必要的数据安全防护措施，此安全机制的建立也可以经由适当的设计来加以完成。

综合而论，为了达到移动操作系统的成功发展，必须先就既有计算机架构中的障碍加以克服，再对软件程序的控制做一个适当的规划。本实用新型便是针对上述特征要点进行技术改良与发展，最后揭露出一个全新的硬件架构及软件程序的方法，而从计算机操作系统的技术发展角度而言，寄生操作系统(POS)的概念提出与相应的移动操作系统技术解决之道，均显示了本篇专利技术具有高度的新颖性与创造性，实为发明人本于长期的努力与竭力构思所得。

本实用新型所揭示的，乃较佳实施例，举凡局部之变更或修饰而源于本实用新型的技术思想而为熟习该项技艺的人所易于推知的，俱不脱本实用新型的专利权范畴。

Claims (13)

1.一种计算机系统装置，其由下列元件构成：一中央处理单元、一芯片组、一主存储器、一非挥发性内存、一内存控制器，其特征在于：该非挥发性内存是经由内存控制器与芯片组相连接，该非挥发性内存内部的数据提供一操作系统运作并经由芯片组加载到主存储器内部，并且该内存控制器对非挥发性内存内部做必要区块管理及区域定义，以增进内存的使用效率及提供数据适当的储存位置，同时前述的内存控制器可以进一步嵌入于芯片组内或是将内存控制器的部份功能嵌入于非挥发性内存内。

2.如权利要求1所述的计算机系统装置，其特征在于：其进一步包括一可分离的储存存储元件，该储存存储元件储存操作系统并与计算机主机相连接，连接后并将该操作系统加载到主存储器内部，提供计算机工作所需的操作系统。

3.如权利要求1所述的计算机系统装置，其特征在于：其中操作系统为一暂驻操作系统，提供使用者短期使用计算机。

4.如权利要求1所述的计算机系统装置，其特征在于：其进一步包括一混合式硬式磁盘驱动器，该混合式硬式磁盘驱动器内并包括一非挥发性内存。

5.如权利要求4项所述的计算机系统装置，其特征在于：其中位于混合式硬式磁盘驱动器中的非挥发性内存为一闪存元件所构成。

6.如权利要求1所述的计算机系统装置，其特征在于：其与芯片组相连接的非挥发性内存接口是采用ONFI接口。

7.如权利要求1所述的计算机系统装置，其特征在于：其与芯片组相连接的非挥发性内存是采用闪存元件或相变内存元件所构成。

8.一种移动储存装置，其特征在于：其包括有一内存控制器及一非挥发性内存单元，该内存单元内部储存一操作系统，该操作系统经过读取及加载储存于计算机内部的装置驱动程序后工作于该计算机平台。

9.如权利要求8项所述的移动储存装置，其特征在于：其中非挥发性内存单元是由闪存元件或相变内存元件所构成。

10.如权利要求8所述的移动储存装置，其特征在于：其中该操作系统为一暂驻操作系统，提供使用者短期使用计算机。

11.如权利要求8项所述的移动储存装置，其特征在于：其中该操作系统于连接计算机主机后，独立执行计算机开机的程序，并读取及加载储存于计算机内部的装置驱动程序。

12.如权利要求8项所述的移动储存装置，其特征在于：其采用USB为接口的非挥发性内存数据储存装置或是采用智能棒接口及其规格的非挥发性内存数据储存装置。

13.如权利要求8所述的移动储存装置，其特征在于：其采用PCI Express接口及PCI Express卡做为该移动储存装置。

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