1. 项目概述:为何要深挖一颗“老将”的内心

在嵌入式多媒体处理领域,德州仪器(TI)的DaVinci系列处理器TMS320DM6446绝对算得上是一位功勋卓著的“老将”。尽管如今更先进的异构多核SoC层出不穷,但时至今日,仍有大量存量设备在稳定运行,同时,对于许多成本敏感、对实时性要求苛刻的工业控制、专业音视频处理项目,DM6446凭借其成熟稳定的生态和极高的性价比,依然是工程师们工具箱里的重要选项。

这颗芯片的核心竞争力,就在于其内部集成的C64x+ DSP子系统。它不是一个简单的协处理器,而是一个拥有完整指令集、独立内存体系、以及专用外设接口的强悍计算核心。我们常说的“DSP性能”,其天花板很大程度上就是由这个子系统决定的。无论是视频编码中的运动估计、音频处理中的滤波与变换,还是通信算法里的调制解调,最终的执行效率都落脚于C64x+ CPU的并行计算能力和内存系统的吞吐效率。

然而,官方数据手册动辄数百页,信息庞杂,对于刚接触的工程师,或是需要针对特定算法进行极致优化的老手,如何快速抓住DSP子系统的精髓,理解其数据通路和内存布局,往往是个挑战。本文的目的,就是化繁为简,结合我多年在DaVinci平台上的开发与调优经验,为你深入解析TMS320DM6446中C64x+ CPU的架构奥秘与内存映射策略。我们不止于罗列手册上的表格,更会探讨这些设计背后的工程逻辑,以及在实际编程和调试中,如何利用这些知识来规避陷阱、提升性能。

2. C64x+ CPU架构深度解析:不止于八个功能单元

C64x+ CPU是TI C6000系列DSP架构的一次重要演进,它在经典的C64x核心基础上,引入了多项旨在提升指令级并行度(ILP)和代码密度的增强特性。理解它的架构,是进行高效汇编优化和编译器调参的基础。

2.1 双数据通路与寄存器文件:并行计算的基石

C64x+ CPU最显著的特征是其对称的双数据通路(Data Path A和Data Path B)设计。每条数据通路包含四个功能单元(.L, .S, .M, .D)和一个独立的32x32位寄存器文件(Register File A/B)。这种设计使得CPU在每个时钟周期内,理论上可以同时执行多达8条指令(每条通路4条)。

两个通用寄存器文件(A和B)各包含32个32位寄存器(A0-A31, B0-B31)。它们不仅是算术逻辑运算的操作数来源,也常用作数据地址指针。对于超过32位的数据类型,如40位长整型或64位双字,则使用寄存器对来存储:低32位(LSBs)存放在偶数编号的寄存器中,高8位或32位(MSBs)存放在紧接着的奇数编号寄存器中。这种设计对于需要高精度累加或宽位宽数据处理的算法(如高保真音频滤波)至关重要。

实操心得:寄存器分配策略 编译器(如TI的CGT)会自动进行寄存器分配,但手动优化内联汇编或关键循环时,理解寄存器文件的划分能带来巨大收益。一个基本原则是:尽量让连续操作的数据驻留在同一个寄存器文件(A或B)中,因为跨文件的数据移动需要额外的指令(如MV指令),会占用宝贵的执行槽。例如,一个循环中频繁使用的系数表指针和累加器,最好分别分配在A文件和B文件中,让.M和.L单元能同时从各自的本地寄存器文件中取数,避免争用端口。

2.2 功能单元详解:各司其职的“工匠”

八个功能单元是执行指令的实体,它们各有专长:

  • .M单元(乘法器) :这是DSP的算力核心。C64x+的.M单元能力极为强大,单周期内可完成一次32x32位乘法、两次16x32位乘法、或四次8x8位乘法。特别值得注意的是其对 复数乘法 的硬件支持。 CMPY 指令能一次性处理两个16位复数(实部、虚部各16位),产生32位的实部和虚部结果。对于通信系统中的调制解调、雷达信号处理中的波束成形等大量涉及复数运算的场景,这条指令能带来数倍的性能提升。此外,它还支持伽罗华域乘法,这在纠错编码(如Reed-Solomon)中非常有用。
  • .L单元与.S单元(算术逻辑单元) :负责常规的算术(加、减)、逻辑(与、或、非、异或)、移位以及分支操作。C64x+对它们进行了增强,例如在.L单元上增加了并行加减指令( ADD2 , SUB2 ),可同时对两对16位数据进行操作;.S单元则加入了双16位比较( MIN2 , MAX2 )和高效的数据打包/解包指令( PACK2 , UNPKHU4 等),极大地加速了视频编解码中像素块的处理速度。
  • .D单元(数据存取单元) :主要负责将数据从内存加载( LDx )到寄存器文件,或将寄存器中的数据存储( STx )到内存。它支持多种寻址模式,是保证CPU“喂饱”数据的关键。其性能直接影响到内存访问延迟的隐藏效率。

下图(基于手册Figure 2-1简化)清晰地展示了数据在两条通路、八个单元间的流动关系,以及寄存器文件的组织方式:

                          Data Path A                          Data Path B
                         --------------                      --------------
                        |   .L1   .S1  |                    |   .L2   .S2  |
                        |   .M1   .D1  |                    |   .M2   .D2  |
                         --------------                      --------------
                               |                                    |
                         Register File A (A0-A31)            Register File B (B0-B31)
                               |                                    |
                          (32-bit data)                        (32-bit data)
                               |                                    |
                        For >32-bit data (e.g., 40-bit), use register pairs (e.g., A1:A0)

关键点 :.M单元在进行64位乘法时,源操作数 src2 是64位的(C64x+增强),而C64x CPU的.M单元 src2 仅为32位。这是识别代码是否针对C64x+优化的重要标志。

2.3 架构增强特性:让软件飞起来的“黑科技”

除了基础算力,C64x+还引入了几项对实际编程影响深远的特性:

  1. SPLOOP(软件流水循环缓冲) :这是一个位于CPU内部的小型指令缓冲区。当编译器识别出可软件流水化的循环时,会将循环核(loop kernel)指令预取到SPLOOP缓冲区中执行。这样做有两个巨大好处:一是显著减少了由于循环控制指令(如递减、跳转)带来的开销;二是使循环体本身 可被中断 。在实时系统中,这意味着一个长时间运行的DSP算法循环不会阻塞关键的中断响应,极大地提高了系统的实时确定性。
  2. 紧凑指令集 :C64x+支持16位紧凑指令格式。许多常用指令(如 ADD , SUB , MPY , AND , OR )如果操作数被限制使用某几个特定的寄存器(A0-A7, B0-B7),就可以被编码为16位。这能使代码尺寸减少高达30%,对于片上L1P程序缓存容量有限(DM6446的L1P为32KB)的情况,意味着更高的缓存命中率和更少的缓存抖动,对性能有间接但可观的提升。编译器在 -mt (最小代码尺寸)优化选项下会积极使用紧凑指令。
  3. 异常处理与特权模式 :C64x+引入了硬件异常处理机制,可以捕获非法指令、数据访问错误等事件,为构建更健壮、带内存保护的操作系统(如DSP/BIOS或SYS/BIOS)提供了硬件基础。特权模式(Supervisor/User)允许操作系统内核保护关键资源(如某些控制寄存器),增强了系统的稳定性和安全性。

3. 内存映射:在统一视角下驾驭异构存储

DM6446作为一个复杂的SoC,其内存空间是统一编址的,但不同总线主设备(ARM, DSP, EDMA等)的访问视图和权限略有不同。理解这张“地图”,是进行系统内存规划、数据搬移和缓存配置的前提。

3.1 内存空间总览与DSP视角

从DSP的角度看,其可寻址的4GB地址空间被划分为几个关键区域:

起始地址 (HEX) 结束地址 (HEX) 大小 描述 DSP访问权限/用途
0x0000 0000 0x00FF FFFF 16MB ARM内部内存 (RAM/ROM) 仅数据访问 。DSP可通过ARM的D-TCM接口访问其16KB RAM。通常用于ARM与DSP间的共享数据区。
0x0080 0000 0x0080 FFFF 64KB L2 RAM / Cache 可配置为全映射RAM、全缓存或二者混合。这是DSP 最核心、性能最高的片上内存
0x00E0 8000 0x00E0 FFFF 32KB L1P Cache 程序缓存,直接映射,不可配置为RAM。所有DSP指令最终都由此缓存提供。
0x00F0 4000 0x00F0 FFFF 48KB L1D RAM 数据RAM,可作为快速便签存储器(Scratchpad)。
0x00F1 0000 0x00F1 7FFF 32KB L1D Cache 数据缓存,2路组相联。
0x0180 0000 0x01BF FFFF 4MB 配置空间 包含所有外设(EDMA, Timer, UART等)和DSP子系统自身(如缓存控制器)的寄存器。
0x0200 0000 0x09FF FFFF 128MB EMIFA (异步存储器接口) 连接NOR Flash、NAND Flash、SRAM等。 注意 :DSP 只能将此区域用于数据访问
0x4200 0000 0x4FFF FFFF 224MB EMIFA / VLYNQ 影子区域 此区域 物理上与0x0200 0000-0x09FF FFFF相同 ,但DSP 可在此区域执行代码 。这是将程序放在外部Flash并原地执行(XIP)的关键!
0x8000 0000 0x8FFF FFFF 256MB DDR2 SDRAM 主系统内存,容量大(通常外接128Mb-512Mb),DSP和ARM共享。用于存放大量数据、非实时代码。
0x0C00 0000 0x0FFF FFFF 64MB VLYNQ (高速串行接口) 用于芯片间高速通信。

注意事项:EMIFA的代码执行陷阱 这是DM6446内存映射中最容易踩坑的地方之一。DSP从EMIFA空间(0x0200 0000开始) 取指 是不被允许的。如果你尝试将DSP的程序代码链接到0x0200 0000(例如NOR Flash地址),并在DSP上直接运行,会导致取指错误。正确的做法是:要么通过ARM将代码从Flash加载到DDR2或L2 RAM中运行;要么利用 影子区域 (0x4200 0000)。将代码链接到影子区域地址,DSP就可以直接从Flash取指执行(XIP),虽然速度慢于RAM,但节省了加载时间,适用于启动引导或对性能不敏感的初始化代码。

3.2 缓存层次结构:性能与确定性的权衡

DM6446的DSP采用经典的两级缓存结构:

  • L1P (Level 1 Program Cache) : 32KB, 直接映射 。直接映射缓存结构简单,访问速度快,但容易发生冲突未命中(Conflict Miss)。对于指令缓存,由于代码通常顺序执行,局部性好,直接映射在多数情况下效率很高。通过 L1PCFG 寄存器可以配置其大小(可部分禁用),但通常保持全使能。
  • L1D (Level 1 Data Cache) : 80KB,但其中 32KB可配置为Cache,48KB固定为RAM(L1D SRAM) 。Cache部分为 2路组相联 ,能有效减少冲突未命中。L1D SRAM则提供了 确定性的低延迟访问 ,适用于对访问时间有严格要求的核心数据缓冲区(如视频处理中的行缓冲区)。
  • L2 (Level 2 Memory/Cache) : 64KB, 统一缓存 (既缓存指令也缓存数据)。可灵活配置为全映射SRAM、全缓存或二者混合。这是性能调优的关键 knob。

缓存一致性 是双核(ARM+DSP)系统中的一个重要议题。DM6446的L1和L2缓存 不是硬件一致性 的。这意味着,如果ARM修改了DDR2中某块数据,而该数据副本正存在于DSP的L1D或L2缓存中,DSP读到的将是旧的、脏的数据。反之亦然。维护一致性需要软件介入:

  1. 写回与无效化 :在共享数据区操作前,主动使用缓存维护指令或寄存器。例如,DSP在将处理好的数据写回DDR2供ARM使用前,需要确保数据已从缓存 写回 (Writeback)内存。ARM在读取DSP可能修改过的数据前,需要 无效化 (Invalidate)自己的缓存对应行。
  2. 使用非缓存(Cache Bypass)或写通(Write-Through)区域 :对于需要频繁在核间共享的小块数据,可以将其映射到非缓存(通过MAR寄存器配置)或配置为写通属性。写通会降低写性能,但能保证ARM侧及时看到更新。
  3. 利用L1D SRAM :将需要与ARM频繁交换的数据放在L1D SRAM中。因为SRAM不是缓存,没有一致性问题,但需要手动通过EDMA进行搬移。

3.3 关键配置寄存器解读

内存系统的行为由一组位于配置空间(0x0184 0000起始)的寄存器控制。了解几个最重要的:

  • L1DCFG / L1PCFG :分别控制L1D和L1P缓存的大小和模式。例如,可以将L1D的32KB Cache部分完全关闭,将其地址空间作为额外的SRAM使用,以换取绝对的访问确定性。
  • L2CFG :控制L2的划分模式。一个典型的平衡配置是:将一部分(如32KB)设为SRAM,用于存放最关键的代码和数据;另一部分(32KB)设为缓存,用于加速对DDR2等慢速内存的访问。
  • MAR (Memory Attribute Registers) :内存属性寄存器,共256个,每个控制16MB地址空间的属性(如是否可缓存、写策略是写回还是写通、是否可执行等)。 这是实现3.2节中内存区域属性配置的核心 。例如,你可以将DDR2中的某个视频缓冲区地址段配置为“非缓存”,以避免缓存一致性问题,但代价是每次访问都直接访问DDR,延迟高。

配置示例(伪代码思路) : 假设我们需要将DDR2中地址0x80000000开始的2MB视频帧缓冲区设置为非缓存(Non-Cacheable),以简化ARM与DSP间的数据同步。

// 1. 找到控制0x80000000地址范围的MAR索引
// 0x80000000 位于 MAR128 控制的 0x8000 0000 - 0x80FF FFFF 区间
volatile uint32_t *mar_reg = (uint32_t *)(0x01848200); // MAR128 地址

// 2. 配置内存属性:禁用缓存(C=0),写通(WT=1? 对于非缓存,WT无意义),使能(E=1)
// 具体位域需参考手册,假设[2:0]位为属性位,000表示非缓存、非缓冲、使能。
*mar_reg = 0x0; // 设置为非缓存属性

// 3. 确保配置生效,可能需要执行缓存同步操作(如CSYNC)
asm(“ CSYNC ”);

实操心得:缓存配置的平衡艺术 没有一种配置适合所有场景。对于纯DSP计算密集型任务(如FIR滤波),尽可能多地使用缓存(L1D Cache + L2 Cache)能获得最佳平均性能。对于有严格实时截止期限的任务(如音频采样中断服务例程),将中断服务例程(ISR)代码和关键数据放入L1P和L1D SRAM中,能保证最坏情况下的执行时间(WCET)。对于大型流式数据处理(如视频解码),将L2配置为大部分是Cache,并利用EDMA进行后台数据搬运,可以隐藏DDR访问延迟。最佳配置需要通过 profiling(性能剖析)来确定。

4. 外设互联与系统集成:DSP并非孤岛

DSP子系统通过强大的EDMA3控制器和系统互连总线,与芯片内其他模块高效协同。

4.1 EDMA3:数据搬运的“隐形引擎”

DSP的C64x+ CPU虽然强大,但让其亲自从外设(如视频前端VPFE)或DDR2中搬运大量数据是巨大的浪费。EDMA3(Enhanced Direct Memory Access 3)就是专为此而生的数据搬运专家。它拥有独立的通道和传输控制器,可以在 无需CPU干预 的情况下,完成内存到内存、外设到内存、内存到外设的复杂数据搬移。

典型应用场景

  1. 视频采集 :VPFE捕获一帧图像,通过EDMA3直接搬移到DDR2中指定的视频缓冲区。
  2. 算法处理 :DSP处理DDR2中一帧数据,处理完成后,EDMA3将结果搬移到另一个输出缓冲区,同时DSP可以开始处理下一帧,实现流水线。
  3. 音频串口(ASP) :EDMA3负责将DDR2中的音频采样数据块搬移到ASP的发送FIFO,或将接收FIFO中的数据搬移到DDR2,仅需在块传输完成时中断DSP进行下一块数据的设置。

EDMA3配置要点

  • 参数集(Parameter Set) :EDMA3的每次传输由一套参数(源地址、目的地址、传输数量、索引等)定义。这些参数可以预先存储在内存中,实现复杂的链表式传输。
  • 链接(Linking)与链式(Chaining) :允许一个传输完成后自动加载下一组参数,实现无限循环或复杂模式的传输,非常适合处理视频的宏块行、音频的连续缓冲区。
  • 与缓存协同 :当EDMA3向DSP的缓存空间(如L2 Cacheable区域)写入数据时,需要软件在DSP访问这些新数据前, 无效化 对应的缓存行。同样,如果EDMA3要从DSP缓存过的区域读取数据,必须确保数据已 写回 内存。这通常通过调用 Cache_inv() Cache_wb() 库函数来实现。

4.2 中断控制器:事件的指挥官

DSP子系统有自己的中断控制器(INTC),它汇集了来自片内外设(Timer, EDMA3, ASP等)和芯片级中断源的中断请求,按照优先级映射到DSP CPU的有限个中断输入(如 INT4 - INT15 )。合理配置中断优先级和使能,对于构建响应及时的实时系统至关重要。

中断服务例程(ISR)优化建议

  1. 短小精悍 :ISR应尽可能快地执行,只做最必要的处理(如清除标志、通知任务),将耗时操作交给后台任务。
  2. 使用L1 SRAM :将ISR代码和关键数据放入L1P和L1D SRAM,确保中断响应时间不受缓存未命中影响。
  3. 避免在ISR中进行复杂的内存操作或函数调用 ,这可能导致不可预测的延迟。

4.3 与ARM核的交互:双核协作之道

DM6446是典型的ARM+DSP异构双核。两者通过共享内存(主要是DDR2和ARM的内部RAM)和硬件信号量进行通信。

  • 通信模型 :通常采用“主-从”或“协作”模型。ARM作为主控,运行Linux或RTOS,负责系统管理、文件I/O、网络等。DSP作为协处理器,专注于计算密集型任务。ARM通过加载DSP固件、配置其内存映射、启动DSP,然后通过共享内存中的 消息队列 环形缓冲区 向DSP发送任务描述符(如“编码一帧,数据在地址X,结果存到地址Y”)。DSP完成任务后,通过中断通知ARM。
  • 数据共享 :共享缓冲区应放置在非缓存或已做好一致性维护的区域。一种常见模式是使用 CMEM (Contiguous Memory)驱动,由Linux侧分配物理连续的内存块,并映射到DSP的地址空间,同时配置为不可缓存,简化管理。
  • 同步机制 :除了中断,还可以使用硬件信号量模块(如果芯片提供)或共享内存中的原子操作标志来实现更精细的同步。

5. 开发与调试实战指南

理论最终要服务于实践。基于上述架构理解,以下是一些关键的开发与调试经验。

5.1 编译器优化与内联汇编

TI的C6000编译器非常强大,充分利用 -o3 -o2 优化等级,并结合 -mt (最小代码尺寸,使用紧凑指令)和 -mg (启用调试信息)进行开发。对于最核心的循环,编译器可能无法生成最优代码,此时需要内联汇编。

内联汇编示例(复数点积) : 假设我们需要计算两个复数向量的点积,这是通信算法中的常见操作。使用C代码循环效率不高,可以利用C64x+的 CMPY 指令。

#pragma MUST_ITERATE(64, , 4); // 提示编译器循环次数是4的倍数,且>=64,有利于软件流水
for (i = 0; i < length; i+=2) { // 一次处理两个复数
    // C代码: real += src1[i].re * src2[i].re - src1[i].im * src2[i].im;
    //        imag += src1[i].re * src2[i].im + src1[i].im * src2[i].re;
    // ... 编译器可能生成多条乘加指令
}

优化后的内联汇编可能如下(概念性展示,实际需根据寄存器分配调整):

; 假设 A4:A5 指向 src1, B4:B5 指向 src2, A6:A7 存放累加结果 (real:imag)
LOOP:
    LDW    .D1T1   *A4++, A2:A3    ; 加载 src1 两个复数 (打包的4个16位值)
    LDW    .D2T2   *B4++, B2:B3    ; 加载 src2 两个复数
    CMPY   .M1X    A2, B2, A8:A9    ; 复数乘法,结果在 A9(imag):A8(real)
    CMPY   .M2X    A3, B3, B8:B9    ; 另一个复数乘法
    ADD    .L1     A8, A6, A6       ; 累加实部
    ADD    .L2     B8, B7, B7       ; 累加另一个实部 (注意跨通路)
    ADD    .S1     A9, A7, A7       ; 累加虚部
    ADD    .S2     B9, B8, B8       ; 累加另一个虚部 (需调整)
    [--A0] B       LOOP             ; 循环控制

注意 :实际编写需要精心安排数据在寄存器文件A和B中的分布,以最大化双数据通路的并行性,并处理好64位累加。

5.2 性能分析与优化

  1. 使用Profile工具 :TI的CCS(Code Composer Studio)提供周期精确的仿真器和性能分析器。可以在模拟环境中运行代码,精确统计每个函数、每行代码的周期数,找到热点。
  2. 查看汇编输出 :编译时使用 -k 选项保留生成的汇编文件( .asm )。仔细阅读关键循环的汇编代码,检查是否存在:
    • 流水线冲突 (Pipeline Stalls):如 LDW 指令的结果在下一周期就被使用,会产生延迟槽。
    • 功能单元利用率不足 :理想情况下,8个功能单元应尽可能饱和。如果发现大量 .D 单元空闲,可能意味着内存访问是瓶颈。
    • 循环未能软件流水 :编译器可能因为循环结构复杂或内部有函数调用而无法进行软件流水优化。需要简化循环体,使用 #pragma MUST_ITERATE 提供循环次数信息。
  3. 内存访问优化
    • 对齐访问 :确保数据地址是32位(字)或64位(双字)对齐的,未对齐访问会导致额外的周期。
    • 利用宽位加载 :尽量使用 LDDW (加载64位)而不是两次 LDW (加载32位)。
    • 预取 :对于顺序访问的数据流,可以在当前计算的同时,使用 .D 单元预取下一批数据到寄存器。

5.3 常见问题与排查

  1. DSP程序跑飞或结果错误

    • 首先检查内存映射和链接命令文件(.cmd) :确认代码段( .text )、已初始化数据段( .data )、未初始化数据段( .bss )是否被正确放置到了DSP有访问权限且属性正确的地址(如L2 SRAM、DDR2的非缓存区)。一个常见的错误是将 .data 段放到了DSP不能执行代码的EMIFA区域(0x0200 0000)。
    • 检查缓存一致性 :如果DSP计算的结果ARM读不到,或ARM写入的数据DSP读到的是旧值,首先怀疑缓存一致性问题。在数据共享边界处显式调用缓存维护函数( Cache_wbInv , Cache_inv )。
    • 检查中断向量表(IVT)地址 :DSP的中断向量表必须放置在地址0x0吗?对于DM6446,DSP的复位向量确实从0x0开始,但ARM的ROM也映射在0x0。实际上,DSP的引导加载器(由ARM负责)会将DSP程序(包含IVT)加载到正确的内存(如L2 RAM)并设置DSP的 ISTP (中断服务表指针)寄存器。确保你的DSP工程中IVT的链接地址与实际加载地址匹配。
  2. 性能不达预期

    • L1/L2缓存配置不当 :使用 L1PCFG/L1DCFG/L2CFG 默认值可能不是最优。尝试将关键循环代码和数据放入L1 SRAM(如果容量允许),或将L2全部配置为SRAM来测试是否是缓存抖动导致性能下降。
    • DDR2访问效率低 :检查DDR2控制器的时序参数配置是否与使用的SDRAM芯片匹配。不合理的刷新间隔、CAS延迟等设置会严重拖慢内存访问。使用EDMA进行批量传输,比DSP核单次访问DDR2效率高得多。
    • 编译器优化未开启 :确认发布版本编译时打开了 -o3 优化。
  3. 双核通信失败

    • 共享内存地址不一致 :ARM和DSP看到的物理地址是统一的,但它们的MMU/MPU配置可能不同。确保在Linux驱动或DSP侧,使用的都是 物理地址 或经过正确映射的 同一段物理内存 的虚拟地址。
    • 同步机制错误 :使用简单的标志位同步时,确保该标志变量位于非缓存区,或者在使用前进行了正确的缓存无效化/写回操作。更可靠的方法是使用芯片提供的硬件信号量模块。

深入理解TMS320DM6446的DSP子系统,尤其是C64x+ CPU的并行架构和精细的内存层次,是释放其全部潜力的关键。这不仅仅是阅读数据手册,更是在实际项目中不断调试、权衡和优化的经验积累。从精准的缓存配置到巧妙的内联汇编,从高效的EDMA数据流设计到稳健的双核通信,每一个环节都影响着最终系统的实时性、效率和稳定性。希望这篇结合了手册精髓与实践经验的解析,能成为你驾驭这颗经典芯片的得力助手。

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