CN107045464B - 一种sparc架构空间处理器中子效应试验测试*** - Google Patents
一种sparc架构空间处理器中子效应试验测试*** Download PDFInfo
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Abstract
一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,包括上位计算机、外部供电电源、示波器、监测控制板、信号连接排线以及被测空间处理器,上位计算机、外部供电电源、示波器以及监测控制板放置在监控室中,被测空间处理器放置在电路板上,与电路板一起放置在中子试验堆中的辐照区域内。监测控制板上的程序包括初始化程序、寄存器堆测试程序、数学计算测试程序、指令和数据Cache测试程序,用于实现对被测空间处理器的初始化、寄存器堆测试、数学计算测试、指令和数据Cache测试。本发明实现对SPARC架构空间处理器进行中子效应性能的评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,属于微处理器中子效应试验领域。
背景技术
单粒子效应是指单个高能粒子作用在半导体器件上引发的翻转、锁定、烧毁等现象。在航天领域诱发单粒子效应主要为质子和重粒子,而在航空领域诱发单粒子效应的高能粒子为中子,由于中子不带电荷,所以其穿透能力很强,金属材料对其几乎没有任何阻拦作用,中子会直接穿透机舱打在各种电子设备的中央控制器或是关键数据存储器上,产生中子单粒子效应,从而引发软硬件错误,甚至导致集成电路闩锁现象的产生,最后引起飞行控制***死机、输出错误控制指令,这些都会严重影响了飞行器的安全性与可靠性。
空间处理器是基于SPARC体系结构的32位RISC嵌入式处理器,用于嵌入式实时计算机***,处理器内部包含整数处理单元,浮点处理单元,独立的指令和数据Cache,硬件乘法器和除法器,中断控制器,带有跟踪缓冲器的硬件调试单元,定时器,通用I/O接口,看门狗,能够支持PROM、SRAM、SDRAM存储器。SPARC架构的空间用处理器在航空航天***中得到了广泛应用,所以研究此架构空间处理器的抗中子效应的能力就显得尤其重要,但国际上对SPARC架构空间处理器中子效应的研究刚刚起步,几乎没有相关的中子效应试验测试***和方法方面的文献和专利。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,实现对SPARC架构空间处理器进行中子效应性能的评估。
本发明的技术解决方案是:一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,包括上位计算机、外部供电电源、示波器、监测控制板、信号连接排线以及被测空间处理器,所述上位计算机、外部供电电源、示波器以及监测控制板放置在监控室中,被测空间处理器放置在电路板上,与电路板一起放置在中子试验堆中的辐照区域内;
信号连接排线:包括供电线、数据地址线、串口数据传输线、复位信号线、状态指示信号线和时钟输入信号线,用于连接监测控制板和被测空间处理器;
上位计算机:接收监测控制板输出的测试结果,并进行显示;
外部供电电源:为监测控制板供电;
示波器:接收监测控制板输出的被测空间处理器的工作电流监测信号,并进行显示。
监测控制板:存储被测空间处理器需要运行的测试程序;将外部供电电源的供电电压转化成被测空间处理器所需的工作电压,通过信号连接排线输出给电路板;在被测空间处理器上电启动或复位后,实时采集被测空间处理器的测试结果,输出给上位计算机进行显示和数据存储;在被测空间处理器上电启动或复位后,实时采集被测空间处理器的工作电流信号,输出给示波器;
被测空间处理器:上电启动或复位后,自动循环运行监测控制板内的测试程序。
还包括状态指示板;所述状态指示板实时接收监测控制板返回的被测空间处理器的状态指示信号,并进行显示,当状态指示信号为出错时,向监测控制板输出复位信号。
监测控制板:通过信号连接排线中的状态指示信号线实时采集被测空间处理器的状态指示信号,并将此信号返回给状态指示板进行显示;当接收到状态指示板的复位信号后,监测控制板对该复位信号进行整形后输出给被测空间处理器,实现对被测空间处理器的复位。
所述监测控制板包括RS485电平模块、供电模块、存储器模块、处理器电流监控模块以及复位输入信号整形模块;
RS485电平模块:通过信号连接排线中的串口数据传输线采集被测空间处理器运行测试程序后输出的测试结果,并转化成RS485电平信号,反馈给上位计算机进行结果显示;
供电模块:接收外部供电电源的供电电压,将其转化成被测空间处理器所需的工作电压,通过信号连接排线中的供电线输出给电路板;
存储器模块:存储被测空间处理器需要运行的测试程序,所述测试程序包括初始化程序、寄存器堆测试程序、数学计算测试程序、指令和数据Cache测试程序,用于实现对被测空间处理器的初始化、寄存器堆测试、数学计算测试、指令和数据Cache测试;
处理器电流监控模块:实时采集被测空间处理器的工作电流,并将该工作电流信号转化为电压信号输出给示波器;
复位输入信号整形模块:接收状态指示板的复位信号,对该复位信号进行整形,并通过复位信号线输出给被测空间处理器。
所述寄存器堆测试程序的测试过程如下:
(4.1)按顺序对每个窗口的所有寄存器赋值,当8个窗口的寄存器都赋值完成之后,再按照相同的顺序从每个窗口中读出数据,与原始写入数据进行比较,记录在中子辐射环境下出现的数据存储错误数;
(4.2)连续执行指令集合中的各种指令,通过寄存器堆控制寄存器读取中子辐射环境下寄存器堆EDAC检测到的出错数,所述指令集合中的指令包括单周期指令、多周期指令、算术/逻辑/位移指令、访存指令、浮点指令。
所述数学计算测试程序的测试过程如下:
(5.1)依次执行乘法运算程序、无符号除法运算程序、有符号除法的运算程序以及乘累加运算程序,所述乘累加运算程序包括有符号和无符号的乘累加指令;
(5.2)记录出错的次数。
指令和数据Cache测试程序的测试过程如下:
(6.1)指令Cache测试程序的测试过程如下:刷新指令Cache,然后调用由多条指令构成的函数,通过映射空间寻找一致的映像,若有则指令Cache工作正确,否则不正确,记录不正确次数;
(6.2)数据Cache测试程序的测试过程如下:刷新数据Cache,清除数据Cache中所有的位,然后定义一个数组,读取数组的第一个元素,根据数据Cache的缓存策略,会在数据Cache中分配一个新行存放该数组的映像,通过映射空间来判断数据Cache中的数据是否正确,若正确则数据Cache工作正确,否则不正确,记录不正确次数。
所述被测空间处理器测试结果中一帧数据由以下部分组成:
帧头:帧头数据;
寄存器堆错误数:处理器寄存器堆测试程序报告的错误数;
数学计算错误数:数学计算测试程序报告的运算错误数;
指令cache错误数:指令cache测试程序报告的错误数;
数据cache错误数:数据cache测试程序报告的错误数;
帧尾:帧尾数据。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明建立了SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,能够完成中子辐照时被测空间处理器工作电流监控、被测处理器测试结果采集及上位计算机显示、测试程序存储、被测处理器工作电压设置、被测处理器状态指示及复位信号的输入等功能。通过试验测试,该***能够完成测试结果数据的传输和保存,实时监测空间处理器的工作电流,完成对处理器闩锁、单元翻转及功能中断的检测,实现对SPARC架构空间处理器进行中子效应性能的评估。
(2)本发明设计了被测空间处理器的测试程序,用于实现对被测空间处理器的初始化、寄存器堆测试、数学计算测试、指令和数据Cache测试,上述测试结果能够全面反应整个空间处理器的抗中子效应的能力。
(3)本发明提出了一种测试结果的串口数据帧组帧的格式,通过串口传输到上位计算机,可以通过上位计算机上的串口显示工具清晰地获得到各个测试程序的输出结果,避免了繁杂的测试结果数据分析过程。
附图说明
图1为试验***框图;
图2为监测电路板功能框图;
图3为整体测试程序流程图。
具体实施方式:
本发明提出的测试***包括上位计算机1、外部供电电源2、示波器4、监测控制板5、信号连接排线6以及被测空间处理器7,上位计算机1、外部供电电源2、示波器4以及监测控制板5放置在监控室中,被测空间处理器7放置在电路板8上,与电路板一起放置在中子试验堆中的辐照区域内。
信号连接排线6:长度5m,包括供电线、数据地址线、串口数据传输线、复位信号线、状态指示信号线和时钟输入信号,用于连接监测控制板5和被测空间处理器7。
上位计算机1:接收监测控制板5输出的测试结果,并进行显示。测试人员可以根据上位计算机1上的测试结果数据来判断是否有位翻转和功能中断效应产生。
外部供电电源2:通过BNC连接电缆与监测控制板5连接,为监测控制板5供电。
示波器4:接收监测控制板5输出的被测空间处理器7的工作电流监测信号,并进行显示。
监测控制板5:通过程序存储器12存储被测空间处理器7需要运行的测试程序。包括RS485电平模块10、供电模块11、存储器模块12、处理器电流监控模块13以及复位输入信号整形模块14。
RS485电平模块10:通过信号连接排线6中的串口数据传输线采集被测空间处理器7运行测试程序后输出的测试结果,并转化成RS485电平信号,反馈给上位计算机1进行结果显示;
供电模块11:接收外部供电电源2的供电电压,将其转化成被测空间处理器7所需的工作电压,通过信号连接排线6中的供电线输出给电路板8;
存储器模块12:存储被测空间处理器7需要运行的测试程序,所述测试程序包括初始化程序、寄存器堆测试程序、数学计算测试程序、指令和数据Cache测试程序,用于实现对被测空间处理器的初始化、寄存器堆测试、数学计算测试、指令和数据Cache测试;
处理器电流监控模块13:被测空间处理器7上电或复位后,实时采集被测空间处理器7的工作电流,并将该工作电流信号转化为电压信号输出给示波器4;通过被测空间处理器7的工作电流可以判断被测空间处理器是否发生闩锁,遇到闩锁等情况时可及时切断供电电源2,避免空间处理器7在闩锁情况下的烧毁。
复位输入信号整形模块14:接收状态指示板3的复位信号,对该复位信号进行整形,并通过复位信号线输出给被测空间处理器7。
被测空间处理器7:上电启动或复位后,自动循环运行监测控制板5程序存储器12内的测试程序,并将测试结果组帧成串口数据。
进一步地,本发明测试***还包括状态指示板3。
监测控制板5通过信号连接排线6中的状态指示信号线实时采集被测空间处理器的状态指示信号,并将此信号返回给状态指示板3进行显示。该状态指示板3实时接收监测控制板5返回的被测空间处理器7的状态指示信号,并进行显示,当状态指示信号为出错时,向监测控制板5输出复位信号。当接收到状态指示板3的复位信号后,监测控制板5对该复位信号进行整形后输出给被测空间处理器7,实现对被测空间处理器7的复位。
状态指示板上还有可供操作人员手动操作的复位按钮,用于手动对被测空间处理器进行复位。
寄存器堆测试程序主要包含两个部分,即在空间处理器7在中子辐照的环境下,一是测试空间处理器7中寄存器堆中寄存器窗口的旋转和寄存器的读写正确性,二是测试寄存器堆“纠一检二”的检错(以下简称寄存器堆EDAC)功能,记录检测到的出错数。
具体测试过程如下:
(1)寄存器堆中寄存器窗口的旋转和寄存器的读写正确性测试:测试时对每个窗口的所有寄存器赋值。当8个窗口的寄存器都赋值完成之后,再按照相同的顺序从每个窗口中读出数据和原始写入数据进行比较,记录在中子辐射环境下出现的数据存储错误数;
(2)寄存器堆EDAC出错数测试:连续执行指令集合中的各种指令,通过寄存器堆控制寄存器读取中子辐射环境下寄存器堆EDAC检测到的出错数,指令集合中的指令包括单周期指令、多周期指令、算术指令(或逻辑指令,或位移指令)、访存指令、浮点指令。
数学计算测试程序的测试过程如下:
(1)依次执行乘法运算程序、无符号除法运算程序、有符号除法的运算程序以及乘累加运算程序,所述乘累加运算程序包括有符号和无符号的乘累加指令;
(2)记录出错的次数。
指令和数据Cache测试程序的测试过程为:
(1)指令Cache测试:指令Cache测试前首先刷新Cache,保证之前运行的程序不会继续影响后面的验证。将多条指令定义为一个函数。测试时调用该函数,根据指令Cache工作原理,此时这几条指令应该被缓存进指令Cache中,通过映射空间寻找一致的映像,若有则指令Cache工作正确,否则不正确;记录不正确次数。
(2)数据Cache测试:刷新数据Cache,清除数据Cache中所有的位。定义一个数组,读取数组的第一个元素。根据数据Cache的缓存策略,会在数据Cache中分配一个新行存放该数组的映像,通过映射空间来判断数据Cache中的数据是否正确。记录不正确次数。
本发明解决了如何在中子辐射环境下建立完整的SPARC架构空间处理器中子辐照效应试验测试***,完成对处理器闩锁、单元翻转及功能中断的测试,依据测试结果完成了对高性能空间处理器中子效应性能的评估。本发明已经用在一款空间处理器的中子辐照效应现场试验中,经过几轮的现场试验,测试***运行良好,得到了对空间处理器进行中子效应性能评估所需要的大量真实有效的测试数据。
实施例:
按本发明内容搭建空间处理器中子效应试验测试***后,监测控制板5上的供电模块11,分别将外部供电电源2输入的5V电压转化成3.3V和1.8V电压,提供给被测空间处理器7的IO和内核。处理器电流监控模块13实现对被测处理器7内核1.8V电压进行电流监测,程序正常运行时此电流大约在200-400毫安之间,若大于此工作电流,说明被测空间处理器7开始出现闩锁现象,需要及时切断工作电源2。
对处理器进行各种测试之前,首先要进行处理器串口及各种寄存器初始化,然后串口输出0x55 aa。
寄存器堆测试程序的实现方式:
(1)、寄存器堆中寄存器窗口的旋转和寄存器的读写测试:每对一个窗口的寄存器赋值完之后,使窗口旋转到下一个窗口,继续赋值,使得对全部的寄存器赋值依次为0x00000000-0x10100111,当8个窗口的全部寄存器都写入完成之后,再从头按照相同的顺序从每个窗口中将数据读出来,跟原始写入的数据进行对比,出现任何一次数据不相同则进行一次错误计数;
(2)、寄存器堆EDAC错误数测试:寄存器堆中有大量的寄存器,且其中每个寄存器都是由32位数据和7位校验码组成,测试时连续执行指令集合中的各种指令,指令集合中的指令包括LDD双字节加载指令,STD双字存储指令,跳转指令、LDF/STF指令、逻辑/位移指令、FSQRTS/FSQRTD/FSUBS/FSUBD等浮点指令,寄存器堆控制寄存器(32位寄存器)中会有16个数据位记录出错的次数,最多可以记录65535个寄存器堆EDAC发生一次错误的次数。
数学计算测试模块中的乘累加运算程序实现方法:
(1)、利用UMUL指令进行无符号整数乘法指令进行运算,判断计算结果;
(2)、利用SDIV指令和UDIV指令进行有符号以及无符号整数除法指令进行运算,判断计算结果;
(3)、利用有符号和无符号的乘累加指令进行测试,使用汇编指令完成,分别连续执行10条UMAC和SMAC指令,并判断计算结果。
(4)记录出错的次数。
指令和数据Cache测试程序实现方法:
(1)、指令Cache测试:测试前首先刷新Cache,保证之前运行的程序不会继续影响后面的验证。将6个“NOP”和1个“RETL”或者3个“SMUL”和2个“NOP”指令定义为一个函数。测试时调用该函数,根据指令Cache原理,此时这7条指令或5条指令应该被缓存进指令Cache中。关闭Cache后通过ASI映射空间,在四路组中寻找与该函数地址相一致的映像。如果找到,则指令Cache测试正确,否则指令Cache测试错误;
(2)、数据Cache验证:首先刷新数据Cache,清除数据Cache中所有的位。定义一个数组A或B,读取数组的第一个元素A[0]或B[0],数据Cache中会分配一个新行存放该数组的映像。通过ASI空间判断是否已经分配了新行,同时缓存进Cache新行中的数据是否正确。
被测空间处理器的测试结果按照如下方法组帧成串口数据后通过RS485电平模块传输到上位计算机,将上位计算机的串口接收工具设置为9600bps波特率/8数据位/1停止位、Hex方式显示,串口接收工具可以进行测试数据显示和保存等操作。
为了提高测试的覆盖率和充分性,指令和数据Cache测试程序按照上面实例均包含了两个测试程序,因此,此时被测空间处理器的测试结果串口帧格式如下:一帧数据由22个字节、8部分组成:
帧头:0x55 aa(2字节)
寄存器堆错误数:处理器寄存器堆测试程序报告的错误数(共3字节)
数学计算错误数:数学计算测试程序报告的运算错误数(共3字节)
指令cache错误数:数据cache测试程序1中报告的错误数(共3字节)
指令cache错误数:数据cache测试程序2中报告的错误数(共3字节)
数据cache错误数:指令cache测试程序1中报告的错误数(共3字节)
数据cache错误数:指令cache测试程序2中报告的错误数(共3字节)
帧尾:0x55 aa(2字节)
正常的时候应该输出:0x 55 aa 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 55 aa;若出现0x 55 aa 00 00 07 00 00 04 00 00 01 00 00 00 00 00 0000 00 01 55 aa,则说明寄存器堆错误数为7,数学计算错误数为4,数据cache测试程序1的错误数为1,指令cache测试程序2中报告的错误数为1。
整体测试过程如图3所示。
出现寄存器堆错误、数学计算错误或数据cache、指令cache错误,说明空间处理器出现了单元翻转。
状态指示板3的作用:通过按下其上的复位按钮,向监测控制板5输出复位信号,从而复位被测空间处理器。
每次测试***上电之后,若有上位机的串口工具上显示乱码,可以先清除这些乱码数据。当空间处理器发生以下几种功能中断的异常情况时,首先保存上位机串口显示工具的数据,随后进行异常情况的处理,方法如下:
(1)、串口无输出:首先按下状态指示板3上的复位按钮,对被测空间处理器进行复位,若复位后仍然没有输出,需要重新对外部供电电源2进行断电和上电操作,重新启动整个测试***;
(2)、串口输出帧格式混乱:首先按下状态指示板3上的复位按钮,对被测空间处理器进行复位,若复位后仍然无法解决,需要重新对外部供电电源2进行断电和上电操作,重新启动整个测试***;
(3)、闩锁:需要重新对整个测试***进行断电和上电操作;
(4)、状态指示板3的状态指示灯亮:说明被测空间处理器7出现程序跑飞或运行错误的情况,此时状态指示板3向被测空间处理器7输出复位信号;
(5)、程序长时间没有输出结果:通过状态指示板对被测空间处理器进行复位操作。
本发明为未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (6)
1.一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,其特征在于:包括上位计算机(1)、外部供电电源(2)、示波器(4)、监测控制板(5)、信号连接排线(6)以及被测空间处理器(7),所述上位计算机(1)、外部供电电源(2)、示波器(4)以及监测控制板(5)放置在监控室中,被测空间处理器(7)放置在电路板(8)上,与电路板一起放置在中子试验堆中的辐照区域内;
信号连接排线(6):包括供电线、数据地址线、串口数据传输线、复位信号线、状态指示信号线和时钟输入信号线,用于连接监测控制板(5)和被测空间处理器(7);
上位计算机(1):接收监测控制板(5)输出的测试结果,并进行显示;
外部供电电源(2):为监测控制板(5)供电;
示波器(4):接收监测控制板(5)输出的被测空间处理器(7)的工作电流监测信号,并进行显示;
监测控制板(5):存储被测空间处理器(7)需要运行的测试程序;将外部供电电源(2)的供电电压转化成被测空间处理器(7)所需的工作电压,通过信号连接排线(6)输出给电路板(8);在被测空间处理器(7)上电启动或复位后,实时采集被测空间处理器(7)的测试结果,输出给上位计算机(1)进行显示和数据存储;在被测空间处理器(7)上电启动或复位后,实时采集被测空间处理器的工作电流信号,输出给示波器(4);
被测空间处理器(7):上电启动或复位后,自动循环运行监测控制板(5)内的测试程序;
所述监测控制板(5)包括RS485电平模块(10)、供电模块(11)、存储器模块(12)、处理器电流监控模块(13)以及复位输入信号整形模块(14);
RS485电平模块(10):通过信号连接排线(6)中的串口数据传输线采集被测空间处理器(7)运行测试程序后输出的测试结果,并转化成RS485电平信号,反馈给上位计算机(1)进行结果显示;
供电模块(11):接收外部供电电源(2)的供电电压,将其转化成被测空间处理器(7)所需的工作电压,通过信号连接排线(6)中的供电线输出给电路板(8);
存储器模块(12):存储被测空间处理器(7)需要运行的测试程序,所述测试程序包括初始化程序、寄存器堆测试程序、数学计算测试程序、指令和数据Cache测试程序,用于实现对被测空间处理器的初始化、寄存器堆测试、数学计算测试、指令和数据Cache测试;
处理器电流监控模块(13):实时采集被测空间处理器(7)的工作电流,并将该工作电流信号转化为电压信号输出给示波器(4);
复位输入信号整形模块(14):接收状态指示板(3)的复位信号,对该复位信号进行整形,并通过复位信号线输出给被测空间处理器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,其特征在于:还包括状态指示板(3);所述状态指示板(3)实时接收监测控制板(5)返回的被测空间处理器(7)的状态指示信号,并进行显示,当状态指示信号为出错时,向监测控制板(5)输出复位信号;
监测控制板(5):通过信号连接排线(6)中的状态指示信号线实时采集被测空间处理器的状态指示信号,并将此信号返回给状态指示板(3)进行显示;当接收到状态指示板(3)的复位信号后,监测控制板(5)对该复位信号进行整形后输出给被测空间处理器(7),实现对被测空间处理器(7)的复位。
3.根据权利要求1所述的一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,其特征在于:所述寄存器堆测试程序的测试过程如下:
(4.1)按顺序对每个窗口的所有寄存器赋值,当8个窗口的寄存器都赋值完成之后,再按照相同的顺序从每个窗口中读出数据,与原始写入数据进行比较,记录在中子辐射环境下出现的数据存储错误数;
(4.2)连续执行指令集合中的各种指令,通过寄存器堆控制寄存器读取中子辐射环境下寄存器堆EDAC检测到的出错数,所述指令集合中的指令包括单周期指令、多周期指令、算术/逻辑/位移指令、访存指令、浮点指令。
4.根据权利要求1所述的一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,其特征在于:所述数学计算测试程序的测试过程如下:
(5.1)依次执行乘法运算程序、无符号除法运算程序、有符号除法的运算程序以及乘累加运算程序,所述乘累加运算程序包括有符号和无符号的乘累加指令;
(5.2)记录出错的次数。
5.根据权利要求1所述的一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,其特征在于:指令和数据Cache测试程序的测试过程如下:
(6.1)指令Cache测试程序的测试过程如下:刷新指令Cache,然后调用由多条指令构成的函数,通过映射空间寻找一致的映像,若有则指令Cache工作正确,否则不正确,记录不正确次数;
(6.2)数据Cache测试程序的测试过程如下:刷新数据Cache,清除数据Cache中所有的位,然后定义一个数组,读取数组的第一个元素,根据数据Cache的缓存策略,会在数据Cache中分配一个新行存放该数组的映像,通过映射空间来判断数据Cache中的数据是否正确,若正确则数据Cache工作正确,否则不正确,记录不正确次数。
6.根据权利要求1所述的一种SPARC架构空间处理器中子效应试验测试***,其特征在于:所述被测空间处理器(7)测试结果中一帧数据由以下部分组成:
帧头:帧头数据;
寄存器堆错误数:处理器寄存器堆测试程序报告的错误数;
数学计算错误数:数学计算测试程序报告的运算错误数;
指令cache错误数:指令cache测试程序报告的错误数;
数据cache错误数:数据cache测试程序报告的错误数;
帧尾:帧尾数据。
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