JPH0830511A - エントリ当たり可変ページ寸法の変換ルックアサイドバッファ - Google Patents

エントリ当たり可変ページ寸法の変換ルックアサイドバッファ

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JPH0830511A
JPH0830511A JP4010001A JP1000192A JPH0830511A JP H0830511 A JPH0830511 A JP H0830511A JP 4010001 A JP4010001 A JP 4010001A JP 1000192 A JP1000192 A JP 1000192A JP H0830511 A JPH0830511 A JP H0830511A
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cam
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】エントリ当たりの可変ページ寸法を有する変換
ルックアサイドバッファ(TLB)を提供する。 【構成】各エントリは、仮想アドレス42から物理アド
レス30へ変換された異なった数のビットを有すること
が可能である。本TLB内の各エントリは、そのエント
リに対するページ寸法の表示を有している。その変換が
終了すると、ページ寸法の表示が何個のビットを変換す
るかを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、変換ルックアサイドバ
ッファ(TLB)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】多数の最近のデータ処理装置は、ユーザ
の観察するメモリとそのメモリの実際上の物理的な表わ
れとの間の区別を確立し且つ管理するために仮想−物理
的アドレスマッピングに依存している。多数の理由か
ら、ページ寸法はプロセサの特定の使用に対して異なる
ものであり、又メモリ空間内の異なった領域に対する単
一の使用内においても異なるものであることが望まし
い。ページ寸法は、TLBを介しての仮想アドレスから
物理的アドレスへの変換においてマップされない状態を
維持するアドレスの一部である。これらの理由のうちの
不完全ではあるが代表的なもののリストは以下の如きも
のである。
【0003】(1)「最良」のページ寸法は、使用中の
特定のオペレーティングシステムの関数である場合があ
る。このことは、例えば汎用、実時間、埋込み型制御等
のような異なったタイプのオペレーティングシステムを
検討する場合に特にいえる場合がある。しかしながら、
それは、異なった汎用のオペレーティングシステムに対
しても成立する場合がある。
【0004】(2)例え1つのオペレーティングシステ
ム内であっても、異なったメモリ領域に対して異なった
ページ寸法を有するものであることが望ましい場合があ
る。特に、典型的なユーザプロセスが小型乃至中型のペ
ージ寸法、例えば4乃至16キロバイトのものを所望す
る場合には、ビットマップ型ディスプレイターミナルを
アップデートさせるプロセスは、非常に大きなページ寸
法を必要とし、通常1メガバイトを超えたものを必要と
する。
【0005】(3)同様に、非常に大きなデータ空間を
有する科学的プログラム等のようなそれ程典型的なもの
でないが非常に重要な適用においては、TLBにおける
「ミス」に起因する過剰なオーバーヘッドを発生するこ
となしに、そのデータの全てに「到達」するために中型
乃至は大型のページ寸法を必要とする。この場合におい
て所望されるページ寸法は、64キロバイト乃至1メガ
バイトの範囲内の場合がある。
【0006】(4)最後の例として、オペレーティング
システム自身がメモリ空間の全てにアクセスすることが
可能であることを必要とし、且つ性能上の理由から、そ
れが、この目的のために多数のTLBエントリを使用し
ないことが必要である。なぜならば、その場合に、それ
らはユーザプロセスに対して使用可能なものではないか
らである。従って、オペレーティングシステムは、単に
2、3の非常に大きなページを使用して全てのメモリを
マップすることを所望する。
【0007】TLBを特定する場合に興味のあるその他
の2つのパラメータは連想度及びエントリ数である。連
想度は、連想なし(典型的に、直接マップ型と呼ばれ
る)から完全連想の範囲に亘ることが可能である。典型
的な具体例では、連想度4(4ウエイセット連想と呼ば
れる)未満のものを使用することはなく、且つ多くの具
体例では完全連想である。連想度が高ければ高い程、マ
ッピング衝突(即ち、TLB内にインデックスさせるた
めに使用されるアドレス部分に対して同一の値を有する
ためにTLB内に共存することが不可能な2つ又はそれ
以上の物理的アドレスが存在すること)が発生する可能
性は少ない。2ウエイセットTLBにおいては、同一の
インデックスを有する2つのエントリを有することが可
能であり、4ウエイの場合は4つのエントリを有するこ
とが可能であり、且つ完全連想の場合には、インデック
スは存在せず任意のエントリが任意のアドレスをマップ
することが可能である。その他の全てのことが同じであ
る場合には、完全連想が最も望ましいものである。
【0008】エントリ数は、単に、任意の時刻において
TLBが維持することの可能な異なる仮想−物理的マッ
ピングの数である。この数は、コンポーネント数、又は
プリント回路基板面積、又はシリコン面積等で測定され
るTLBの物理的寸法によってほぼ完全に決定される。
【0009】フルカスタムVLSIにおいて実現される
プロセサにおいては、完全連想型のTLBを構築するこ
とが可能である。このことの理由は、主に、完全連想型
構成において達成することが可能な規則性の度合に起因
するものである。TLBに対して基本的に単に2つの個
別的な部分が存在している。即ち、内容アドレス可能メ
モリ(即ち、CAM)部分と、物理的格納部分である。
このことは、5つの部分を有するセット連想構成と対比
される。即ち、これら5つの部分は、インデックスデコ
ーダと、仮想格納部分と、比較器部分と、選択部分と、
物理的格納部分とである。基本的に、完全連想型構成
は、セット連想型構成の最初の4つの部分を単一のCA
Mアレイへ結合させている。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、エントリ当た
り可変ページ寸法を有する変換ルックアサイドバッファ
を提供している。各エントリは、仮想アドレスから物理
的アドレスへ変換される異なったビット数を有すること
が可能である。TLB内の各エントリは、そのエントリ
に対するページ寸法の表示を有している。その変換が行
なわれる場合には、ページ寸法の表示が変換されるビッ
ト数を決定する。
【0011】好適には、本TLBは、内容アドレス可能
メモリ(CAM)からのマッチライン出力によりアクセ
スされる物理的メモリアレイを使用している。CAM内
の各エントリに対するメモリ位置の一部が、1ビットで
はなく2ビットの情報を格納する。このことは、4つの
異なった状態を格納することを可能としている。通常の
CAMエントリにおいては、各位置内に1ビットが格納
され2つの状態を与える。これら2つの状態は、そのビ
ットが、仮想アドレス入力ビット上で1又は0の何れか
とマッチ(合致)することを可能としている。4つの状
態を格納できるので、1又は0とのマッチングに加え
て、「常時マッチ」値を格納することが可能である。こ
の「常時マッチ」値は、選択されたページ寸法内のCA
Mにおけるエントリの位置内に書込まれる。従って、こ
れらの位置は、その位置がページ寸法の外側である場合
に仮想アドレスに対するマッチを与えるために使用する
ことが可能であり、且つそれらがページ寸法内である場
合には、無視することが可能である。
【0012】メモリアレイに対してマッチが出力を与え
る後に、CAM内に格納されているページ寸法に従っ
て、ロジック回路が、元の仮想アドレスをメモリアレイ
出力の一部と置換する。該ページ寸法は、所望のページ
寸法でプログラムされているマスクレジスタを使用して
CAMエントリ内に元々書込まれる(該マスクレジスタ
は、それに書込みが行なわれているエントリの部分をマ
スクするために使用され、「常時マッチ」値を書込ませ
る)。
【0013】
【実施例】図1は、本発明に基づくエントリ当たり可変
ページ寸法のTLBの一実施例を示している。内容アド
レス可能メモリ(CAM)12は、2状態アレイ部分1
4と4状態アレイ16とを有している。CAMセルは、
1ビットの情報を格納し、従って各セルは、論理1又は
論理0の何れかとマッチすべくプログラムすることが可
能である。CAMセルを2ビットの情報を格納するよう
に調整することにより、第三のマッチング可能性を導入
することが可能であり、それは「常時マッチ」と呼ぶこ
とが可能な1又は0の何れかとのマッチである。第四の
可能性が存在しており、それはマッチなしである。この
可能性は、テスト又は性能解析のためにエントリをディ
スエーブルさせるために使用することが可能である。
【0014】本TLBのCAM部分は2つのセクション
に分割されている。「下位」セクション16は、2ビッ
ト即ち4状態CAMセルが設けられており、一方「上
位」セクション14は通常の単一ビット即ち2状態CA
Mセルが設けられている。これら2つのセクションの間
の分割点は、ページ寸法の可変度合の範囲を決定する。
一実施例においてはこの範囲は4キロバイト乃至16メ
ガバイトであるが、これは単に例示的なものであること
に注意すべきである。
【0015】本TLBを介して正確な変換を達成するた
めには、「マッチ」したTLBエントリ内にプログラム
したのはどの寸法ページであったかを決定することが必
要である。マッチするエントリは、入力するアドレスが
TLBエントリ内に保持されているものと同一の2進パ
ターンを有するものである。ページ寸法を決定するため
には、その変換を表わすビットパターンが物理的格納ア
レイから読出されるのと同時的に、CAMアレイ内に収
容されているビットパターンを「読取る」ことが必要で
ある。そのCAM部分を読取った後に、どの位置が常時
マッチへプログラムされたかを注意し、且つ変換された
アドレスにおける対応する位置が入力仮想アドレスを
「パススルー(通り抜け)」し且つ関連する変換を破棄
せねばならない。この点を別の観点から考察すると、ペ
ージ寸法が一層大きくなると、変換されないビットの数
も対応して大きくなり、その場合の唯一の困難性は、ペ
ージ寸法がエントリ毎に可変のものであるから、そのペ
ージ寸法を動的に決定することが必要であるということ
である。
【0016】可変アドレスは、バス18及び20上でア
レイ14及び16へ夫々供給される。バス18及び20
上のアドレスがCAMアレイ内の格納されているアドレ
スとマッチする場合には、マッチライン22のうちの1
つが活性化される。マッチライン22は、物理的アレイ
24内の異なったエントリへ結合されている。マッチラ
インが活性化されるエントリは、物理的アドレスバス2
6及び28上にその出力を発生する。通常のTLB動作
の場合には、両方のアドレス26及び28が物理的アド
レスバス30の一部として供給される。バス26及び2
8上の変換された部分がページであり、一方バス32上
の変換されていない部分はそのページ内の位置を与え
る。
【0017】2状態CAMアレイ14は、各位置に対し
単一ビットを与え、それが、入力仮想アドレスのそのビ
ット位置の0又は1に対してビットを与えるべきである
か否かを表わす。4状態CAMアレイ16は、0又は1
でマッチするか、又は、それがどのようにプログラムさ
れているかに依存して、常にマッチを発生させることが
可能である。常にマッチを発生させるべくプログラムさ
れている部分は、ページ位置ではなくページ内の位置を
与えるバス32の変換なしビットと関連する部分であ
る。従って、これらのビットは、物理的アドレス24か
らバス28上の対応するビットでなく、マルチプレクス
用ロジック34を介してバス20から供給される。バス
28からのものに対して置換されるべきバス20からの
ビットに対する位置は、CAMアレイ16内の状態を読
取り且つデータI/Oライン36上のページ寸法の表示
をマルチプレクス用ロジック34へ供給することにより
決定される。次いで、マルチプレクス用ロジック34
が、「常時マッチ」にプログラムされているエントリ内
の位置に対しバス20からの入力を選択する。
【0018】4状態CAMアレイ16のプログラミング
は、マスクレジスタ38及びマスクロジック40を使用
して行なわれる。マスクレジスタ38は、現在使用され
ているページ寸法を表わす。現在稼動中のプログラム
は、データバス37からレジスタ38内にページ寸法を
エンタさせることが可能である。マスクロジック40
は、マスクレジスタ38により表示される如きページ寸
法内のビットに対応するデータバス37のラインに対し
て、「常時マッチ」を表わすビットを置換する。
【0019】図2は図1のCAMアレイ14からの2状
態CAMセル50及びCAMアレイ16からの4状態C
AMセル52を示している。CAMセル50は、仮想ア
ドレス入力ビットライン54を有しており、そのビット
ラインの反転がライン56上に与えられる。該セルの格
納部分は、一対のインバータ58及び60が一体的に結
合されるノード62及び64として示されている。ノー
ド62はトランジスタ66のゲートへ接続されている。
トランジスタ66は、トランジスタ70を介して、マッ
チライン68へ結合されている。トランジスタ66及び
70がターンオンされると、マッチライン68は低状態
へプルされる。マッチライン68は仮想アドレスの異な
ったビットに対応してそれに沿って位置された多数のセ
ルを有しているので、それを低状態へプルする任意のセ
ルはマッチが存在しないことを表わす。
【0020】デジタル1とのマッチが所望される場合に
は、ノード64に1が格納され、その反転である0がノ
ード62に与えられる。このことは、トランジスタ66
をターンオフさせ、従って、ライン54上に1の値が表
われ且つトランジスタ70が活性化される場合には、マ
ッチライン68は下降されることはない。同時に、ノー
ド64上の1の値はトランジスタ72を活性化させる。
トランジスタ72は、ライン54上の入力値が0である
場合に、トランジスタ74を介してマッチライン60を
低状態へプルし、その反転入力ライン56に1の値を与
え、トランジスタ74を活性化させる。従って、セル5
0内に1が格納される場合には、それは、0が仮想アド
レスビットとして供給される場合に、マッチライン68
を低状態へプルするが、仮想アドレスビットとして1が
供給される場合には、それを低状態へプルすることはな
い。
【0021】ノード64上に0をプログラム即ち書込む
ことにより、0ビットがマッチに対して与えられる場合
に、同様の結果を得ることが可能である。この場合に
は、0がノード64上に存在し、その反転である1がノ
ード62上に与えられて、トランジスタ66を活性化さ
せる。理解される如く、0又は1の何れかに対してマッ
チが発生するためには、その値及びその反転の両方が格
納されねばならず且つその値及びその反転の両方が仮想
アドレス入力端上に供給されねばならない。該セルにプ
ログラム即ち書込まれている状態は、センスアンプ80
によりトランジスタ76及び78を介して読取ることが
可能である。トランジスタ76及び78は読取りライン
82により活性化される。
【0022】それと対比して、4状態CAMセル52は
2ビットの情報の格納を与え、第一ビット及びその反転
がノード86及び84上に格納され、且つ第二ビット及
びその反転がノード90及び88上に格納される。しか
しながら、セル50の場合と同様に、ライン92上の仮
想アドレス入力ビット及びライン94上のその反転のみ
が必要とされるに過ぎない。ビットライン92上の1の
値と該セルとをマッチさせるためには、1がノード84
に格納され且つ0がノード88に格納されねばならな
い。ノード84における1は、その反転である0をノー
ド86に発生させ、その際にトランジスタ96を脱活性
化させ且つライン92上に1が存在する場合にトランジ
スタ98がマッチライン68を低状態へプルすることを
防止する。ライン92上の1はライン94上に0を発生
させ、そのことはトランジスタ100を活性化させるこ
とはない。しかしながら、ライン92上に0の非マッチ
値が表われると、1をライン94上に与え、トランジス
タ100が活性化されてマッチライン68を低状態へプ
ルする。なぜならば、トランジスタ102がノード88
上の0の反転であるノード90上の1により活性化され
るからである。
【0023】同様に、ノード84上に0の値を格納し且
つノード88上に1の値を格納することにより、入力0
に対するマッチを発生させることを理解することが可能
である。常時マッチ条件を得るためには、ノード86と
ノード90の両方に0を書込み、それらの反転である1
をノード84及び88に書込む。従って、両方のトラン
ジスタ96及び102が常にオフとなり、従ってライン
92上にどのような値が印加され且つその反転がライン
94上に印加されようとも、マッチライン68は高状態
を維持し、マッチを表示する。「マッチなし」の最終的
な値は、ノード86及び90上に1をプログラミング即
ち書込むことにより与えることが可能である。一対のセ
ンスアンプ104及び106は、トランジスタ108,
110,112,114を介して格納されている2つの
ビットを読取るために使用され、それらのトランジスタ
のゲートは読取りライン82へ結合されている。
【0024】本発明のセルをプログラミング即ち書込む
ための回路はスタンダードなものであり、本発明回路を
簡単化するために図面中には図示していない。ライン6
8上にマッチが発生された後に、図1のバス36は、図
1のマルチプレクス用ロジック34がアレイ24からの
どのビットを使用するかを決定することが可能であるた
めに、どのビット位置が「常時マッチ」であるようにプ
ログラム即ち書込まれたかを表示せねばならない。この
読取り動作は、マルチプレクサ116を介して読取りラ
イン82へマッチライン68をフィードバックさせるこ
とにより達成される。各位置に対してのセンスアンプ1
04及び106の出力は、00がプログラム即ち書込ま
れたか否かを決定するために読取ることが可能である。
マルチプレクサ116は、本回路の通常の読取りのため
に使用される別の入力端118を有している。
【0025】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。例えば、ページ寸法の表示の目的のためにのみ終端
に付加的なビットを取付けて通常の2状態CAMアレイ
を使用することが可能である。これらの付加的なビット
は、物理的アレイをアドレスするのと同一のマッチライ
ンによりアドレスされる別のメモリを形成することも可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に基づくエントリ当たり可
変ページ寸法のTLBを示した概略図。
【図2】 図1のCAMアレイ内のエントリにおける2
状態及び4状態の位置を示した概略図。
【符号の説明】
12 内容アドレス可能メモリ(CAM) 14 2状態アレイ部分 16 4状態アレイ部分 22 マッチライン 24 物理的アレイ 26,28,30 物理的アドレスバス 34 マルチプレクス用ロジック 36 データI/Oライン 38 マスクレジスタ 40 マスクロジック

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 変換ルックアサイドバッファ(TLB)
    において、入力仮想アドレスに対応する物理的アドレス
    を格納するための複数個のメモリ位置が設けられてお
    り、前記メモリ位置の各々に関連しておりページ寸法の
    表示を格納する手段が設けられており、ページ寸法の前
    記表示に応答し出力アドレスとして前記物理的アドレス
    の可変ビット数を供給する手段が設けられており、前記
    出力アドレスの残りのビットは前記仮想アドレスのビッ
    トであることを特徴とするTLB。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記ページ寸法の表
    示を格納する手段が、仮想アドレスバスへ結合した入力
    端を具備すると共に前記メモリ位置のメモリアレイへ結
    合したマッチ出力端を具備する内容アドレス可能メモリ
    (CAM)を有することを特徴とするTLB。
  3. 【請求項3】 請求項2において、前記可変ビット数を
    供給する手段が、前記メモリアレイへ結合した第一入力
    端と、前記仮想アドレスバスの一部へ結合した第二入力
    端と、前記CAMへ結合した選択入力端とを具備するマ
    ルチプレクサを有することを特徴とするTLB。
  4. 【請求項4】 請求項2において、前記CAMのエント
    リに対する位置のうちの少なくとも一部が、前記マッチ
    出力端の1つの上に0入力に対してマッチ信号、1入力
    に対してマッチ及び任意の入力に対してマッチを与える
    値を格納するための2個のビットを有することを特徴と
    するTLB。
  5. 【請求項5】 請求項2において、更に、前記マッチ出
    力のうちの各々を前記CAM内の前記エントリの各々に
    対する読取り入力へ結合させる手段が設けられているこ
    とを特徴とするTLB。
  6. 【請求項6】 請求項5において、前記結合手段が複数
    個のマルチプレクサを有しており、各マルチプレクサが
    エントリに対する読取りラインに結合されている出力端
    と、前記エントリに対するマッチ出力へ結合されている
    第一入力端と、前記エントリに対する読取り入力に結合
    されている第二入力端とを具備することを特徴とするT
    LB。
  7. 【請求項7】 請求項4において、前記TLBの各エン
    トリが1ビットのみが格納されている複数個の位置のう
    ちの一部を有することを特徴とするTLB。
  8. 【請求項8】 請求項4において、更に、ページ寸法を
    表示する値を格納するマスクレジスタが設けられてお
    り、データバス及び前記マスクレジスタへ結合されてい
    る入力端を具備すると共に前記CAMのデータI/Oラ
    インへ結合されている出力端を具備しており前記マスク
    レジスタ内の値に対応するエントリ内の位置へ常時マッ
    チ値を書込むロジック手段が設けられていることを特徴
    とするTLB。
  9. 【請求項9】 変換ルックアサイドバッファ(TLB)
    において、入力仮想アドレスに対応する物理的アドレス
    を格納するための複数個のメモリ位置を具備する物理的
    アレイが設けられており、仮想アドレスバスへ結合され
    ている入力端を具備すると共に前記物理的アレイへ結合
    されているマッチ出力端を具備する内容アドレス可能メ
    モリ(CAM)が設けられており、前記CAMのエント
    リに対する位置のうちの少なくとも一部が前記マッチ出
    力端のうちの1つの上で0入力に対しマッチ信号を与え
    るための第一値と、1入力に対するマッチのための第二
    値と、任意の入力に対するマッチのための第三値とを格
    納するための2個のビットを有しており、前記CAMに
    おける前記第三値に応答して出力アドレスとして前記物
    理的アドレスの可変ビット数を供給する手段が設けられ
    ており、前記出力アドレスの残りのビットが前記仮想ア
    ドレスのビットであることを特徴とするTLB。
  10. 【請求項10】 請求項9において、前記可変ビット数
    を供給する手段が、前記物理的アレイへ結合されている
    第一入力端と、前記仮想アドレスバスの一部へ結合され
    ている第二入力端と、前記CAMへ結合されている選択
    入力端とを具備するマルチプレクサを有することを特徴
    とするTLB。
  11. 【請求項11】 請求項9において、各々が2個のビッ
    トを有する前記CAM内の前記位置が、第一ビット値と
    その反転とを格納するための第一メモリセルと、第二ビ
    ット値とその反転とを格納するための第二メモリセル
    と、仮想アドレスビットラインと、反転仮想アドレスビ
    ットラインと、前記第一メモリセル及び前記仮想アドレ
    スビットライン上の信号に応答して前記マッチ出力のう
    ちの1つへ信号を供給する第一手段と、前記第二メモリ
    セル及び前記反転仮想アドレスビットライン上の信号に
    応答して前記マッチ出力のうちの前記1つへ信号を供給
    する第二手段とを有することを特徴とするTLB。
  12. 【請求項12】 請求項11において、前記第一供給手
    段が、前記仮想アドレスビットラインへ結合した第一制
    御リードと、マッチ出力端へ結合した第二リードと、第
    三リードとを具備する第一トランジスタを有すると共
    に、前記第一メモリセルへ結合した第一制御リードと、
    前記第一トランジスタの前記第三リードへ結合した第二
    リードと、接地へ結合した第三リードとを具備する第二
    トランジスタを有することを特徴とするTLB。
  13. 【請求項13】 請求項11において、更に、前記第一
    メモリセルに結合されている第一センスアンプが設けら
    れており、且つ前記第二メモリセルへ結合されている第
    二センスアンプが設けられていることを特徴とするTL
    B。
  14. 【請求項14】 請求項9において、更に、ページ寸法
    を表示する値を格納するマスクレジスタが設けられてお
    り、前記マスクレジスタ及びデータバスへ結合されてい
    る入力端を具備すると共に2個のビットを有する前記エ
    ントリに対する前記CAMのデータI/Oラインへ結合
    されている出力端を具備しており前記マスクレジスタ内
    の値に対応するエントリ内の位置へ常時マッチ値を書込
    むロジック手段が設けられていることを特徴とするTL
    B。
  15. 【請求項15】 請求項9において、更に、前記マッチ
    出力端の各々を前記CAM内の前記エントリの各々に対
    する読取り入力端へ結合させる手段が設けられているこ
    とを特徴とするTLB。
  16. 【請求項16】 請求項15において、前記結合手段が
    複数個のマルチプレクサを有しており、各マルチプレク
    サが、エントリ用の読取りラインへ結合した出力端と、
    前記エントリ用のマッチ出力端へ結合した第一入力端
    と、前記エントリ用の読取り入力端へ結合した第二入力
    端とを具備することを特徴とするTLB。
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