计算机组成原理实验实验报告 - 图文

北京航空航天大学计算机学院

计算机组成原理课程设计 实验报告

姓名：刘 洋

学号： 39061612

时间：2011年7月日

实验报告 计算机组成原理课程设计

目录

第一章

MIPS部件基础实验 .................................................................................................... 1

实验1-1 存储单元 ................................................................................................................... 1

预习题 ............................................................................................................................... 1 思考题 ............................................................................................................................... 6 实验1-2 运算单元 ................................................................................................................. 10

预习题 ............................................................................................................................. 10 思考题 ............................................................................................................................. 11 实验1-3 协处理器 ................................................................................................................. 13 实验1-4 其它部件 ................................................................................................................. 14 第二章

MIPS处理器综合实验 .............................................................................................. 16

实验2-1 指令系统 ................................................................................................................. 16

思考题 ............................................................................................................................. 16 实验2-2 数据通路 ................................................................................................................. 17

预习题 ............................................................................................................................. 17 思考题 ............................................................................................................................. 17 实验2-3 多周期控制器设计.................................................................................................. 19

预习题 ............................................................................................................................. 19 思考题 ............................................................................................................................. 19 实验2-4 多周期处理器设计.................................................................................................. 21

预习题 ............................................................................................................................. 21 思考题 ............................................................................................................................. 21 第3章 MIPS高级设计实验 ........................................................................................................ 24

实验3-1 MIPS指令扩展处理器设计 .................................................................................... 24 预习题 ............................................................................................................................. 24 思考题 ............................................................................................................................. 24

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第一章 MIPS部件基础实验

实验1-1 存储单元

预习题

(1) 对照实验原理中只读存储器ROM的电路结构，简要说明其工作原理。

答：ROM只读存储器（Read-Only Memory）是一种只能读取数据的存储器。在制造过程中，先将数据转成电路，并制成光罩（Mask），于集成电路制造过程中一并制造完成，其数据内容在制造后就不能更改，只能读不能写。

(2) 如何在图形编辑窗口中设计LPM_ROM存储器？怎样设计地址宽度和数据线的宽度？

怎样导入和存储LPM_ROM的设计参数文件？

答：在编辑窗口中的任何一个位置上右击鼠标，将出现快捷菜单，选择其中的输入元件项Insert-Symbol，键弹出如图所示的输入元件对话框。

单机按钮“…”，选中lpm_rom元件，此元件即显示在窗口中，然后单机Symbol窗口的OK按钮，即可进入lpm_rom元件的定制对话框，如图

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在上图中既可以设置地址宽度和数据线的宽度。

在设置lpm_rom数据参数选择项lpm_file的对应窗口中，用键盘输入lpm_ROM配置文件的路径（rom_a.mif），然后设置在系统ROM/RAM读写允许，以便能对FPGA中的ROM在系统读写。

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(3) 在对LPM-ROM的设计进行软件仿真测试时，应该如何设计仿真波形的输入信号的？

结合实际的仿真结果说明LPM_ROM的功能在仿真波形中是如何体现的？

答：编辑输入波形。单击琐事窗口的时钟信号名clk，使之变为蓝色条，再单击左列的时钟设置键，在clock窗口中设置clk的时钟周期为100ns：clock窗口中的Duty cycle是占空比，默认为50，即50%占空比，然后分别设置a，q的电平。从结果来看，随着6位地址数据的改变，24位输出数据线数据也随之改变，体现了LPM_ROM的功能。

(4) 请设计在实验台上对LPM-ROM进行测试的方法？

答：选择GW48-SOPC系统的电路模式No.1,通过键1、键2输入RAM的8位数据，键3、键4输入存储器的8位地址。键8控制读/写允许，低电平读允许，高电平写允许；键7（clk）产生读/写时钟脉冲，即生成地址锁存脉冲，读RAM进行读/写操作。下载到实验台上，按下相关控制键，可进行仿真操作。

(5) 总结原理图输入法设计硬件的主要步骤，以及每个步骤的主要目的。

答：（1）建立本项目工程设计文件夹。目的：任何一项设计都是一项工程，都必须首先为此工程建立一个放置与此工程相关的所有设计文件的文件夹。不同的设计项目最好放在不同的文件夹中，而同一工程的所有文件都必须放在同一文件夹中。放于同一个文件夹中便于管理。

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（2）MIF格式文件的建立。目的：初始化数据。

（3）原理图输入设计项目。目的：设计选择符合要求的元件，连接元件，以达到所需电路的要求。

（4）创建工程。目的：将设计文件加入工程中。

（5）全程编译。目的：检查设计是否有错误，数据网表文件提取、逻辑综合、适配、装配文件生成及基于目标器件的工程时序分析等。

（6）时序仿真。目的：观察仿真结果，验证硬件设计的正确性。 （7）锁定引脚。目的：将输入输出的引脚与实验台锁定。 （8）硬件下载。目的：将设计好的程序下载到实验台上。

(6) 试着简要说明读写存储器RAM工作原理。

答：RAM为随机存取存储器，可以随机从任意一个指定的地址读取数据，也可以将数据写入任意的一个指定的存储单元中。

(7) 在对读写存储器RAM的设计进行软件仿真测试时，应该如何设计仿真波形的输入信号

的？结合实际的仿真结果说明读写存储器RAM的功能在仿真波形中是如何体现的？

答：时钟信号以一定周期翻转，当遇到上升沿时，且使能信号为1，RAM开始工作读写信号为高电平时执行写入功能，低电平是执行读出功能。将地址addr信号以一定的频率改变，当读写信号为高电平即写入信号时，从addrin读取数据，存入RAM所指存储单元中；当读写信号为低电平即读出信号时，从RAM读出RAM所指存储单元的数据，存入addrout中。

(8) 总结Verilog文本输入法设计硬件的主要步骤，以及每个步骤的主要目的。

答：（1）建立本项目工程设计文件夹。目的：同一工程下的所有文件放在一起便于使用语管理。

（2）输入项目设计。目的：编写相关程序代码并保存。 （3）创建工程。目的：将设计程序加入工程中。

（4）全程编译。目的：检查设计是否有错误，数据网表文件提取、逻辑综合、适配、装配文件生成及基于目标器件的工程时序分析等。

（5）时序仿真。目的：观察仿真结果，验证硬件设计的正确性。 （6）锁定引脚。目的：将输入输出的引脚与实验台锁定。 （7）硬件下载。目的：将设计好的程序下载到实验台上。

(9) 预先设计好并绘出32位MIPS的RAM、IR、RegFile等的仿真波形输入及理论输出，

结合波形说明其功能及工作原理。 答：

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RAM工作原理：该RAM共有四个工作模式，模式控制信号BE为1111时，读写32位；模式控制信号为0111时，读写低16位，高16位置0；模式控制信号为0011时，读写低8位，高24位置0；模式控制信号为其他信号时，32位全置为0。

IR工作原理：用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把他从内存取到IR中，然后再通过IR输出到后续的各个部件。

RegFile工作原理：读寄存器，即：将寄存器堆的数据读出；一个是写寄存器，将输入的32为数据写到特定的寄存器中。

(10) 预先设计好并绘出先进先出存储电路FIFO的仿真波形输入及理论输出，结合波形说明

其功能及工作原理。

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答：

FIFO为先进先出存储电路。即当给定写入信号时，按一定顺序写入一部分数据，当给定读出信号时，按照先进先出的原则读出已经写入的数据。

思考题

(1) MIPS RAM存储器在CPU中是如何与其它部件协同工作的。请结合其功能详细分析。

答：RAM为存储器，可写入或读出制定地址的数据，地址的指定可由其他寄存器的某些位数通过译码来指定，写入的数据可由其他寄存器的某些位或地址来确定，数据读出后可存放于其他寄存器。

(2) 记录下MIPS RAM的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合仿

真结果说明电路的工作过程。 答：

仿真结果与预期的结果一致，模式控制信号为1111时，从DataIn读入32位数据保存并输出到DataOut；模式控制信号为0111时，从DataIn读入低16位数据，高16位置0，保存并输出到DataOut；模式控制信号为0011时，从DataIn读入低8位数据，高24位置0，保存并输出到DataOut；模式控制信号为其他信号时，RAM全部置0，输出32’b0到DataOut。

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(3) MIPS IR在CPU中是如何与其它部件协同工作的。请结合其功能详细分析。

答：用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到IR中，然后再通过IR输出到后续的各个部件。

(4) 记录下MIPS IR的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合仿真

结果说明电路的工作过程。 答：

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(5) MIPS RegFile在CPU中是如何与其它部件协同工作的。请结合其功能详细分析。

答：RegFile工作原理：读寄存器，即：将寄存器堆的数据读出；一个是写寄存器，将输入的32为数据写到特定的寄存器中。

(6) 记录下MIPS RegFile的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合

仿真结果说明电路的工作过程。 答：

(7) LPM_FIFO在CPU设计中有何作用？当LPM_FIFO“空”、“未满”、“满”时，full、empty

和usedw[7..0]的输出信号如何变化？

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答：

(8) 记录下LPM_FIFO的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合图

说明电路的工作过程。 答：

FIFO为先进先出存储电路。即当给定写入信号时，按一定顺序写入一部分数据，当给定读出信号时，按照先进先出的原则读出已经写入的数据。

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实验1-2 运算单元

预习题

(1) 对照2.2节中乘法运算器的电路结构，简要说明其工作原理。

答：

(2) 在对乘法运算器的设计进行软件仿真测试时，应该如何设计仿真波形的输入信号的？结

合实际的仿真结果说明乘法器的功能在仿真波形中是如何体现的？ 答：

(3) 对照2.3节中算术逻辑运算器的电路结构、数据传送通路和ALU 的功能特性，简要说

明其工作原理。 答：

(4) 按理论分析值填写好表2.2、表2.3 和表2.4。

答：

(5) 比较实验数据的理论分析值与实验结果值；并对结果进行分析。实验结果与理论分析值

比较，有没有不同？为什么? 答：

(6) 在对算术逻辑运算器的设计进行软件仿真测试时，应该如何设计仿真波形的输入信号的？

结合实际的仿真结果说明算术逻辑运算器的功能在仿真波形中是如何体现的？ 答：

(7) 用Verilog实现输入暂存器74373B的功能，及模式选择计数器LPM_COUNTER的功能，

并给出源程序。 答：

(8) 预习实验2-1内容，设计好并绘出32位除法运算器的仿真波形输入及理论输出，结合

波形说明其功能及工作原理。 答：

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(9) 复习Verilog HDL语言的相关语法，并在课前根据编写好实验2-1中的程序。给出源程

序。 答：

(10) 预习实验2-2内容，设计好并绘出带进位算术逻辑运算单元的仿真波形输入及理论输出，

结合波形说明其功能及工作原理。 答：

(11) 按理论分析值填写好表2.6。

答：

(12) 预习实验2-3内容，设计好并绘出移位运算器的仿真波形输入及理论输出，结合波形说

明其功能及工作原理。 答：

思考题

(1) 32位乘法运算器在CPU中是如何与其它部件协同工作的。请结合其功能详细分析。

答：

(2) 给出你编写的源程序。

答：

(3) 记录下仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合图说明电路的工作

过程。 答：

(4) 若本实验中要考虑除数可能为零的情况，你认为应该如何修改本实验的代码？

答：

(5) 带进位运算器与不带进位运算器有何区别？在设计实现时应如何体现？

答：

(6) 给出你设计的原理图。

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答：

(7) 记录下仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合图说明电路的工作

过程。 答：

(8) 根据实验结果，填写表2.6中的实验数据。

答：

(9) 如何实现带进位运算，将上一次运算的进位位用于下一次的运算当中，并实现多个8

位数据的（如两个24位数据的加法）运算？在控制电路上应作怎样的改动？给出24位加法的原理图和仿真结果。 答：

(10) 结合理论课讲授的内容，回顾运算单元方面的知识点，为顺利展开实验做好理论准备工

作。 答：

(11) 分析移位运算器采用的电路结构，并说明其工作过程？

答：

(12) 给出你设计的原理图。

答：

(13) 记录下仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合图说明电路的工作

过程。 答：

(14) 如何实现有符号数的算术右移和算术左移？修改用VHDL编写的实验参考程序，进行

时序仿真。给出源程序、仿真结果，并对照波形说明新增的功能执行过程。 答：

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实验1-3协处理器

预习题

(1) 回顾理论课上指令系统相关内容，分析协处理相关指令的指令链路和执行过程。

答：

(2) 提前阅读实验内容，并用Verilog HDL语言编写调试好32位MIPS协处理器，并设计

好仿真波形。 答：

(3) 设计好硬件下载方案。

答： 思考题

(1) 对协处理器设计进行仿真验证，结合仿真波形分析其执行过程。

答：

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实验1-4其它部件

预习题

(1) 简要说明32位MIPS CPU中程序计数器、多路选择器、符号扩展单元的工作原理。

答：

(2) 对照实验原理中程序计数器电路的结构，简要说明其工作原理。

答：

(3) 试举例说明多路选择器在32位MIPS CPU设计中的作用。

答：

(4) 预先设计好并绘出32位MIPS的PC、Mux、Se等的仿真波形输入及理论输出，结合波

形说明其功能。 答：

(5) 预先设计好并绘出程序计数器电路的仿真波形输入及理论输出，结合波形说明其功能及

工作原理。 答： 思考题

(1) MIPS PC在CPU中是如何与其它部件协同工作的。请结合其功能详细分析。

答：

(2) 记录下MIPS PC的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合仿真

结果说明电路的工作过程。 答：

(3) MIPS Mux3to1在CPU中是如何与其它部件协同工作的。请结合其功能详细分析。

答：

(4) 记录下MIPS Mux3to1的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合

仿真结果说明电路的工作过程。

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答：

(5) MIPS Se在CPU中是如何与其它部件协同工作的。请结合其功能详细分析。

答：

(6) 记录下MIPS Se的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合仿真

结果说明电路的工作过程。 答：

(7) 记录下程序计数器电路的仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？结合

图说明电路的工作过程。 答：

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第二章 MIPS处理器综合实验

实验2-1指令系统

思考题

(1) 结合指令链路，分析说明算术逻辑指令sllv、sra、mult的执行过程。

答：

(2) 结合指令链路，分析说明比较指令sltiu、slt的执行过程。 答：

(3) 结合指令链路，分析说明分支指令bne、bgez、bgezal的执行过程。 答：

(4) 结合指令链路，分析说明比较指令lbu、ll的执行过程。 答：

(5) 结合指令链路，分析说明存指令sh、sc的执行过程。 答：

(6) 结合指令链路，分析说明跳转指令jal、jr的执行过程。 答：

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实验2-2 数据通路

预习题

(1) 不同类型的指令在数据通路中的执行过程有什么共性？ 答：

(2) ALU在存储访问指令、算术逻辑指令、分支指令执行时，都会用到吗？分别起什么作

用？ 答：

(3) 什么是组合逻辑单元？什么是时序逻辑单元？mips-c处理器中哪些部件是组合逻辑单

元，哪些是时序逻辑单元？ 答：

(4) 根据附录1，设计mips全指令集的完整数据通路。 答：

思考题

(1) 绘制取指数据通路的实际仿真波形，并对照波形分析其工作过程。 答：

(2) 绘制R型指令数据通路的实际仿真波形，并对照波形分析其工作过程。 答：

(3) 绘制存取指令数据通路的实际仿真波形，并对照波形分析其工作过程。 答：

(4) 绘制分支指令数据通路的实际仿真波形，并对照波形分析其工作过程。 答：

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(5) 绘制跳转指令数据通路的实际仿真波形，并对照波形分析其工作过程。 答：

(6) 绘制I型指令数据通路的实际仿真波形，并对照波形分析其工作过程。 答：

(7) 绘制mips-c完整数据通路仿真波形，并对照波形分析其工作过程。 答：

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实验2-3 多周期控制器设计

预习题

(1) 单周期方式和多周期方式有什么差别？单周期实现方式是否可行？为什么不使用单周

期方式？ 答：

(2) 在对控制器状态机的各种状态进行编码时，对于19个状态，我们用了19位的二进制数

来表示，请问这么设计有什么好处？ 答：

(3) 补充完整：状态机信号使能表、常量定义及输出信号逻辑布尔表达式。 答：

(4) 根据附录1，设计多周期控制器并给出完整的verilog HDL代码。 答：

(5) 预先设计好并绘出32位MIPS控制器的仿真波形输入及理论输出，结合波形说明其功

能及工作原理。 答：

思考题

(1) 记录下MIPS 控制器的实际仿真结果，并与预习时的理论仿真波形对照，是否一致？

结合仿真结果说明电路的工作过程。 答：

(2) 将控制器加入到实验2-2中设计的完整数据通路中，并给出你设计的原理图。 答：

(3) 对加入控制器后的完整数据通路进行仿真测试，并结合波形说明其功能及工作原理。 答：

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实验2-4 多周期处理器设计

预习题

(1) 根据mips-c指令系统定义，预先编写好简单的mips汇编小程序，给出汇编程序及对应

的机器代码。 答：

(2) 仔细阅读实验指导，通过原理图输入设计法预先组装32位MIPS处理器，给出电路原

理图。 答：

(3) 预先设计好并绘出32位MIPS处理器的仿真波形输入及理论输出，结合波形说明其功

能及工作原理。 答：

(4) 根据汇编程序的功能，结合硬件实验台的特点，预先设计好演示方案，确定好引脚锁定

方案。 答：

思考题

(1) 编制一条I型指令的汇编语句，并将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的执

行过程。 答：

(2) 编制一条存取指令的汇编语句，并将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的执

行过程。 答：

(3) 编制一条分支指令的汇编语句，并将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的执

行过程。 答：

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(4) 编制一条R型指令的汇编语句，并将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的

执行过程。 答：

(5) 编制一条跳转指令的汇编语句，并将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的执

行过程。 答：

(6) 编制一条CP0指令的汇编语句，并将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的

执行过程。 答：

(7) 编制一条异常指令的汇编语句，并将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的执

行过程。 答：

(8) 绘制“找较大数”及自己设计的汇编程序的实际仿真波形，并对照波形详细分析其工作

过程。 答：

(9) 详细记录每条指令执行后相关单元输出数据的变化情况，依次执行机器指令，验证设计

的正确性。 答：

(10) 在完成基本验证程序后，自行设计应用程序，输入到存储器中进行调试，记录实验数据。 答：

(11) 记录调试程序过程中遇到的问题及解决方法。 答：

(12) 记录硬件下载过程中遇到的问题及解决方法。 答：

(13) 本实验中部件是采用Verilog HDL语言进行设计的，而MIPS-C及其顶层电路都是直接

调用图形元件，通过原理图来进行设计的。请试着全部用Verilog HDL语言进行以上部

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实验报告 分的设计。并给出MIPS-C及顶层电路的Verilog HDL代码。 答：

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第3章 MIPS高级设计实验

实验3-1 MIPS指令扩展处理器设计

预习题

(1) 根据mips指令系统定义，理解书上已有的汇编小程序，并自行设计一个新的汇编应用

程序，给出汇编程序及机器代码。 答：

(2) 仔细阅读实验指导，通过原理图输入设计法预先组装32位MIPS指令扩展处理器，，给

出电路原理图。 答：

(3) 预先设计好并绘出32位MIPS处理器的仿真波形输入及理论输出，结合波形说明其功

能及工作原理。 答：

(4) 根据汇编程序的功能，结合硬件实验台的特点，预先设计好演示方案，确定好引脚锁定

方案。 答：

思考题

(1) 编制一条扩展的I型指令汇编语句，将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的

执行过程。 答：

(2) 编制一条扩展的存取指令汇编语句，将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的

执行过程。 答：

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(3) 编制一条扩展的分支指令汇编语句，将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的

执行过程。 答：

(4) 编制一条扩展的R型指令汇编语句，将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句

的执行过程。 答：

(5) 编制一条扩展的跳转指令汇编语句，将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的

执行过程。 答：

(6) 编制一条扩展的CP0指令汇编语句，将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句

的执行过程。 答：

(7) 编制一条扩展的异常指令汇编语句，将其装载到存储器中，结合仿真波形分析该语句的

执行过程。 答：

(8) 绘制“费波那西”汇编程序的实际仿真波形，并对照波形详细分析其工作过程。 答：

(9) 绘制“跑马灯”汇编程序的实际仿真波形，并对照波形详细分析其工作过程。 答：

(10) 绘制自己设计的汇编程序的实际仿真波形，并对照波形详细分析其工作过程。 答：

(11) 详细记录每条指令执行后相关单元输出数据的变化情况，依次执行机器指令，验证设计

的正确性。 答：

(12) 在完成基本验证程序后，自行设计应用程序，输入到存储器中进行调试，记录实验数据。

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答：

(13) 记录调试程序过程中遇到的问题及解决方法。 答：

(14) 记录硬件下载过程中遇到的问题及解决方法。 答：

(15) 本实验中部件是采用Verilog HDL语言进行设计的，而MIPS及其顶层电路都是直接调

用图形元件，通过原理图来进行设计的。请试着全部用Verilog HDL语言进行以上部分的设计。并给出MIPS-C及顶层电路的Verilog HDL代码。（选做） 答：

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