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  • 串口波特率计算方式

    万次阅读 多人点赞 2018-10-05 23:19:55
    STM32下波特率计算方式解释: 波特率的计算  STM32下的波特率和串口外设时钟息息相关,USART 1的时钟来源于APB2,USART 2-5的时钟来源于APB1。在STM32中,有个波特率寄存器USART_BRR,如下:  STM32串口波特...

    STM32下波特率计算方式解释:

    波特率的计算

        STM32下的波特率和串口外设时钟息息相关,USART 1的时钟来源于APB2,USART 2-5的时钟来源于APB1。在STM32中,有个波特率寄存器USART_BRR,如下:

        STM32串口波特率通过USART_BRR进行设置,STM32的波特率寄存器支持分数设置,以提高精确度。USART_BRR的前4位用于表示小数,后12位用于表示整数。但是它还不是我们想要设置的波特率,想要设置我们串口的波特率大小还需要进行计算。其实有关波特率的计算是下面这一条表达式:

        从上面的表达式,我们引入了一个新量USARTDIV,它表示对串口的时钟源fck进行分频。假设我们已知道了波特率和fck时钟频率的大小,那么通过上式便可以计算出USARTDIV的具体大小,然后再通过USART的值大小对波特率寄存器进行设置。

        USARTDIV通过上面的表达式得出,是一个带有小数的浮点数(如27.75)。将小数部分和整数部分分开,分别得到一个整数值n(如27)和一个小数值m(如0.75)。有了这两个值我们便可以填写USART_BRR寄存器进而设置我们串口波特率大小了。

        将整数部分m(27 = 0x1B)直接写入USART_BRR的后12位部分;将小数部分n乘以16后得到的整数值(如0.75 x 16 = 12 = 0xC)写入USART_BRR前4位部分,最后USART_BRR的值为0x1BC。

    注意:如果小数部分乘以16之后仍带有小数,则要四舍五入去除小数部分得到一个新的整数,再将其写入USART_BRR的前四位。

     

    为什么在计算波特率的公式中要乘以16?

        ​我们知道串口通信是通过TXD和RXD这两条线进行通信的,当接收器的RXD连接着发送器的TXD,接收器的TXD连接着发送器的RXD,接收器和发送器可以通过RXD和TXD互传数据。当接收器检测到RXD这条线的电平被拉为低电平,立即开始接收发送器发送过来的数据,刚刚那个低电平只是一个告知接收器可以接收数据的起始位而已。

        在数据的传输中,信号可能受到一些干扰而产生一些抖动,如下图。如果接收端只对这些信号数据采样一次,那么它有可能采样到的是抖动的不准的数据,进而使数据传输不准确,所以接收端在采样数据线上的数据,通常都要采样多次,然后通过比较获得准确的数据。

      

        

        前面已经说过,USARTDIV,它表示对串口的时钟源fck进行分频而这16表示的正是1bit数据的采样次数。为什么呢?

        ,将这个表达式的分子分母倒过来,可以得到下面这条表达式

        

        每一位的传输时间只有1/TX_baud,这个总时间除以16,所以每采样一次的时间正好是T1,即新分频后的周期。而初始的串口时钟信号来自于APBx,APBx时钟信号需要经过分频才会等于T1,所以才需要分频USARTDIV。

    本文链接:http://www.cnblogs.com/cposture/p/4268910.html

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  • K64 计算 UART波特率

    2020-08-25 15:19:36
    --------------------------------------------- * | 1st | 2nd | 3rd | | 1st | 2nd | * --------------------------------------------------------------------------- * | 3 : 3 : 2 | | 4 : 3 | 波特率计算思虑...

    bootloader UART  流程分析

    1 scuart_full_init 初始化 UART,初始化过程包含注册回调函数,当接收到数据时RX 接收引脚发生中断,调用回调函数 instance_transition_callback。

    2 进入函数 scuart_poll_for_activity,主要是对 回调函数 instance_transition_callback 二次处理. 最终得到UART 波特率,使用得到的波特率重新初始化UART,

     

    bootloader_init
       get_active_peripheral
          scuart_full_init
             autobaud_init(self->instance);
    
    void autobaud_init(uint32_t instance)
    {
        s_transitionCount = 0;
        s_firstByteTotalTicks = 0;
        s_secondByteTotalTicks = 0;
        s_lastToggleTicks = 0;
        s_instanceMeasured = 0;
        s_ticksBetweenFailure = microseconds_convert_to_ticks(kMaximumTimeBetweenFallingEdges);
        enable_autobaud_pin_irq(instance, instance_transition_callback);
    }
    
    //RX引脚将下降沿中断回调函数,每产生一个下降沿中断 会计算每一个下降沿时刻,并将相邻的两个下降沿事件
    //差值保存在 s_ticksFallingEdges 数组里面;
    void instance_transition_callback(uint32_t instance)
    {
        uint64_t ticks = microseconds_get_ticks();
        s_transitionCount++;
    
        uint64_t delta = ticks - s_lastToggleTicks;
    
        // The last toggle was longer than we allow so treat this as the first one
        if (delta > s_ticksBetweenFailure)
        {
            s_transitionCount = 1;
        }
    
        switch (s_transitionCount)
        {
            case 1:
                // This is our first falling edge, store the initial ticks temporarily in firstByteTicks
                // and save the instance that we are measuring
                s_ticksAtFirstFallingEdge = ticks;
                s_firstByteTotalTicks = ticks;
                s_instanceMeasured = instance;
                break;
    
            case kFirstByteRequiredFallingEdges:
                // We reached the end of our measurable first byte, subtract the current ticks from the initial
                // first byte ticks
                s_firstByteTotalTicks = ticks - s_firstByteTotalTicks;
                break;
    
            case (kFirstByteRequiredFallingEdges + 1):
                // We hit our first falling edge of the second byte, store the initial ticks temporarily in secondByteTicks
                s_secondByteTotalTicks = ticks;
                break;
    
            case (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges):
                // We reached the end of our measurable second byte, subtract the current ticks from the initial
                // second byte ticks
                s_secondByteTotalTicks = ticks - s_secondByteTotalTicks;
                disable_autobaud_pin_irq(instance);
                break;
        }
    
        s_ticksFallingEdges[s_transitionCount - 1] = ticks - s_ticksAtFirstFallingEdge;//[7-1] = 15127
    
        s_lastToggleTicks = ticks;
    }
    
    //注册UART RX 引脚下降沿中断函数
    //Blhost 发送两个字节 0x5a 和 0xa5,RX引脚将产生7个下降沿中断。
    void enable_autobaud_pin_irq(uint32_t instance, pin_irq_callback_t func)
    {
        switch (instance)
        {
            case 0:
                // Only look for a falling edge for our interrupts
                PORT_SetPinInterruptConfig(UART0_RX_PORT_BASE, UART0_RX_GPIO_PIN_NUM, kPORT_InterruptFallingEdge);
                NVIC_SetPriority(UART0_RX_GPIO_IRQn, PORT_IRQC_INTERRUPT_ENABLED_PRIORITY);
                NVIC_EnableIRQ(UART0_RX_GPIO_IRQn);
                s_pin_irq_func[0] = func;
                break;
    ...
    }
    
    //RX引脚将下降沿中断
    void UART0_RX_GPIO_IRQHandler(void)
    {
        // Check if the pin for UART0 is what triggered the RX PORT interrupt
        if (PORT_GetPinIsf(UART0_RX_PORT_BASE, UART0_RX_GPIO_PIN_NUM) && s_pin_irq_func[0])
        {
            s_pin_irq_func[0](0);
            PORT_ClearPinsInterruptFlags(UART0_RX_PORT_BASE, ~0U);
        }
    }

     

    scuart_full_init //uart初始化进入 while 循环 检测有效的UART 波特率
    
    scuart_poll_for_activity
    
    bool scuart_poll_for_activity(const peripheral_descriptor_t *self)
    {
        uint32_t baud;
        status_t autoBaudCompleted = autobaud_get_rate(self->instance, &baud);
    
        if (autoBaudCompleted == kStatus_Success)
        {
            uart_config_t userConfig;
            UART_Type *base = get_uart_baseAddr(self->instance);
            UART_GetDefaultConfig(&userConfig);
    
            userConfig.baudRate_Bps = baud;
            userConfig.enableTx = true;
            userConfig.enableRx = true;
    
            if (UART_Init(base, &userConfig, get_uart_clock(self->instance)) == kStatus_Success)
            {
                UART_SetSystemIRQ(self->instance, kPeripheralEnableIRQ);
                UART_EnableInterrupts(base, kUART_RxDataRegFullInterruptEnable);
                // Configure selected pin as uart peripheral interface
                self->pinmuxConfig(self->instance, kPinmuxType_Peripheral);
    
                // This was the byte pattern identified in autobaud detection, inform the command layer
                s_scuart_byte_receive_callback(kFramingPacketStartByte);
                s_scuart_byte_receive_callback(kFramingPacketType_Ping);
    
                g_uartInitDone = true;
    
                return true;
            }
            else
            {
                autobaud_init(self->instance);
            }
        }
    
        return false;
    }

    波形 

    /*
     *   This function filters the invalid noises on LPUART rx pins by following characters:
     *   For 0x5A, the interval between falling edges meets 3:3:2
     *   For 0xA5, the interval between falling edges meets: 4:3
     *      |              0x5A                 |                 0xA6              |
     *
     *   ___       ___     _____     ___     ______       _____       ___     ________
     *      | S 0 | 1 | 0 | 1 1 | 0 | 1 | 0 | STOP | S 0 | 1 1 | 0 0 | 1 | 0 | 1  STOP
     *       -----     ---       ---     ---        -----       -----     ---
     *   ---------------------------------------------------------------------------
     *      |    1st  |   2nd   |  3rd  |          |    1st    |    2nd  |
     *   ---------------------------------------------------------------------------
     *      |     3   :     3   :   2   |          |     4     :     3   |

     波特率计算思虑

    計算波特率思路 :K64 bootloader 主频48MHZ, 要产生57600 bit/s 波特率,每传送一位需要833.33个时钟周期,取833;如果已知主频时钟和每一位的时钟周期,则可以计算出 波特率。

    Bhost 采用UART 发0x5A 和 0xA6 两个字节给Bootloader,测出这两个字节共需要12598 个clock, 共传输15位,即每一位需要840clock;波特率为 48000000 / 840 = 57142. (取57600)。

    令人疑惑的是15是怎么来的,对于0x5A ,起始位start 加上第一个bit位到这个字节的最后一个下降沿之间的 7 个bit,即8; 对于0xA6,我们有起始位start +6位到最后下降沿=7位。

     

    status_t autobaud_get_rate(uint32_t instance, uint32_t *rate)
    {
        if ((s_transitionCount == (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges)) &&
            (instance == s_instanceMeasured))
        {
            // Invalid bytes received.
            if (!is_falling_edge_interval_valid())
            {
                // Restart auto buad detection
                autobaud_init(instance);
                return kStatus_Fail;
            }
    
            uint32_t calculatedBaud =
                (microseconds_get_clock() * (kNumberOfBitsForFirstByteMeasured + kNumberOfBitsForSecondByteMeasured)) /
                (uint32_t)(s_firstByteTotalTicks + s_secondByteTotalTicks);
    
            // Round the rate to the nearest step size
            // rounded = stepSize * (value/stepSize + .5)
            // multiplying by 10 since we can't work with floats
            // kAutobaudStepSize 为 1200,这个值是 57600 119200 38400 等常见波特率 公约数
            *rate = ((((calculatedBaud * 10) / kAutobaudStepSize) + 5) / 10) * kAutobaudStepSize;
    
            return kStatus_Success;
        }
        else
        {
            // no baud rate yet/inactive
            return kStatus_Fail;
        }
    }

     

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  • 1.处理器与外部设备通信的两种方式: 并行通信 传输原理:数据各个位同时传输。 优点:速度快 缺点:占用引脚资源多 串行通信 传输原理:数据按位顺序传输。...半双工:允许数据在两个方向上传输,但是,在某一时刻...

    1.处理器与外部设备通信的两种方式:

    并行通信

    • 传输原理:数据各个位同时传输。
    • 优点:速度快
    • 缺点:占用引脚资源多

    串行通信

    • 传输原理:数据按位顺序传输。
    • 优点:占用引脚资源少
    • 缺点:速度相对较慢

    2.串行通信:

    2.1按照数据传送方向,分为:

    • 单工:数据传输只支持数据在一个方向上传输
    • 半双工:允许数据在两个方向上传输,但是,在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信;
    • 全双工:允许数据同时在两个方向上传输,因此,全双工通信是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。

    在这里插入图片描述

    2.2串行通信的通信方式:

    • 同步通信:带时钟同步信号传输。SPI,IIC通信接口

    有时钟同步信号,A传到B的过程中,每一个位都是根据时钟来传的,比如时钟到达上升沿,传1bit。

    • 异步通信:不带时钟同步信号。UART(通用异步收发器),单总线

    A和B之间没有时钟同步信号,双方先约定一些波特率、起始位等,计算出发送每一bit占用的时间。

    常见的串行通信接口:

    如果是全双工,那么发送和接收都要有独立的引脚。半双工一般只占用一个独立的发送\接收引脚。

    如果是同步通信,那么一定有同步时钟。

    通信标准引脚说明通信方式通信方向
    UART (通用异步收发器)TXD:发送端 RXD:接受端 GND:公共地异步通信全双工
    单总线 (1-wire)DQ:发送/接受端异步通信半双工
    SPISCK:同步时钟 MISO:主机输入,从机输出 MOSI:主机输出,从机输入同步通信全双工
    I2CSCL:同步时钟 SDA:数据输入/输出端同步通信半双工

    3.异步串口通信UART

    包含:

    物理层(电气层:接口决定):通信接口(RS232,RS485,RS422,TTL)
    数据格式(数据层:芯片决定)起始位校验位等约定好
    通信协议(协议层:程序决定)数据出错能检测出来等

    UART异步通信方式引脚连接方法:

    RXD:数据输入引脚。数据接收。TXD:数据发送引脚。数据发送。

    在这里插入图片描述

    TTL串口 & RS232 & RS485 & RS422

    两个电路板相连,往往用到一些接口,而不是直接相连TXRX。

    接口类型逻辑1 典型值逻辑0 典型值说明优缺点
    TTL+5/3.30一般MCU串口引脚都支持TTL
    RS232-15V~-3V3V~15V3线全双工,点对点接口电平高,传输速度相对较低,传输距离近
    RS485两根线的压差+(2~6)V压差-(2~6)V2线半双工,点对多,主从通信。使用压差传递信号。传输速度高可达10M,抗干扰能力强,距离远。
    RS422相对比较少用。

    USB串口

    MCU发送串口信号,经电平转换芯片变为USB信号,通过USB连到电脑,电脑可以直接识别USB信号。

    在这里插入图片描述

    STM32 UART异步通信方式引脚:

    串口号RXDTXD
    1PA10(PB7)PA9(PB6)
    2PA3(PD6)PA2(PD5)
    3PB11(PC11/PD9)PB10(PC10/PD8)
    4PC11(PA1)PC10(PA0)
    5PD2PC12
    6PC7(PG9)PC6(PG14)

    4.STM32串口数据格式和通信过程

    STM32串口通信过程:信号一位一位传过来,速度根据波特率来传。串行移位寄存器一个一个读过来,然后一次性写入到输入数据缓冲器里,MCU从中读取数据。

    MCU写输出数据缓冲器,然后一次性给串行移位寄存器,然后在波特率控制下,把数据一位位送到外部设备。

    在这里插入图片描述

    STM32串口异步通信需要定义的参数:

    起始位:1个逻辑0数据位开始
    数据位(8位或者9位)
    奇偶校验位(第9位)
    停止位(1,1.5,2位)
    波特率设置

    在这里插入图片描述

    5.STM32F4xx串口框图

    TX:芯片数据发送出去,RX:数据接收。接收后放到接收移位寄存器,然后全部给接收数据寄存器,然后CPU可以通过总线读取数据。发送的话,CPU把数据写到发送数据寄存器,之后数据送到发送移位寄存器,数据一位一位的从IO口出去。

    在这里插入图片描述

    对于这个发送和接收移位寄存器,必须提前设定好波特率,这两个寄存器受发送控制和接收器控制。可以由下图看到:发送和接收端共用一个波特率,用于确定串行通信的速度。最下面有一个BRR寄存器,首先时钟来自于pCLKx ,pclk经过/usartdiv和/(8*(2-OVER8)),OVER8由控制寄存器的一个位决定可能为0或1,把这个时钟作为发送器和接收器的时钟,控制发送和接收移位寄存器,实现控制传输数据的速度。

    对于接收器控制和发送控制,图中还有几个寄存器,右边SR寄存器,记录一些状态标志位,左边CR1,有一些使能位,高位连接中断控制,可以触发一些中断。

    在这里插入图片描述

    6.波特率计算方法

    波特率决定了串口的通信速度,如何计算。

    上图OVER8:在控制寄存器 1 (USART_CR1)中可找到,其中采样频率越高,容错性越好,但是限制了速度。如果8倍过采样可以提高速度。

    在这里插入图片描述

    小数波特率生成:

    对 USARTDIV 的尾数值和小数值进行编程时,接收器和发送器(Rx 和 Tx)的波特率均设置为相同值。

    在这里插入图片描述

    当fck确定,又要达到某一种波特率,此时可以计算出USARTDIV的值是多少。它的值是由USART_BRR 寄存器决定的。

    USARTDIV 是一个存放在 USART_BRR 寄存器中的无符号定点数。
    当 OVER8=0 时,小数部分编码为 4 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[3:0] 位编程。
    当 OVER8=1 时,小数部分编码为 3 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[2:0] 位编程,此时 DIV_fraction[3] 位必须保持清零状态。
    注意: 对 USART_BRR 执行写操作后,波特率计数器更新为波特率寄存器中的新值。因此,波特率 寄存器的值不应在通信时发生更改。

    在这里插入图片描述

    如图所示,USART中DIV_Mantissa是设置USARTDIV 的整数部分,DIV_Fraction是设置USARTDIV的小数部分。如果经过公式算出USARTDIV=37.5该如何设置 USART_BRR寄存器?

    可以看到波特率寄存器 (USART_BRR):位15:4一共12位,如果设置USARTDIV=37.5,只需要把高十二位设置成37 。小数则是由低4位决定的,由于低四位一共有2^4=16个数,占满了0-1,所以可以0.5*16=8,赋给低四位即可。

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    可以总结出:OVER8=0时波特率计算公式:

    在这里插入图片描述

    ①根据波特率和串口时钟频率,计算出USARTDIV的值。

    ②DIV_Fraction=USART的小数部分 X16所得的整数

    DIV_Mantissa=USART的整数部分

    假如OVER8=0,串口时钟为90M,需要得到115200的波特率,根据公式计算得到USARTDIV=90000000/(115200*16)=48.828

    DIV_Fraction=16*0.828的整数部分=13=0X0D;

    DIV_Mantissa=48=0x30;

    得到USART1->BRR值为0x30d,只要设置串口1的BRR寄存器值位0x30d就可得到115200的波特率。

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  • UART 波特率的认识与理解

    笔者前几天碰到了串口波特率的问题,想要1M以上的波特率,发现波特率总是乱码,常用标准的几种波特率也不是很好用。

    1、UART时钟情况说明

    ch340G模块,时钟为12MHZ。
    在这里插入图片描述

    某PMC开发板,ARM Coretex A53内核,主频为1.6G,串口时钟为6.25MHZ,理论最大支持2Mbit/s。
    该开发板的串口波特率是通过分频而来。

    Baud Rate = 625000/(UDLH <<8+UDLL)
    在这里插入图片描述

    2、理论计算

    当选择常用的波特率时,开发板分出的波特率时钟的偏差

    波特率总时钟分频系数误差计算
    1152006250000540.47%
    1280006250000481.7%
    2304006250000270.47%
    2560006250000241.7%
    468000625000013 4.3%
    5120006250000121.7%
    921600625000073.1%
    1000000625000064.1%
    1024000625000061.7%
    2000000625000034.1%

    波特率误差计算说明:由于波特率是由总时钟分频而来,所以分频系数必须是整数。(由上面寄存器可知,总不能向寄存器写入小数吧)

    误差率 = (总时钟/分频系数 – 波特率)/波特率。
    分频系数 = int(总时钟/波特率)。最好取4舍5入,可以减少误差。

    选择上述的波特率范围原因是:串口转USB的模块支持上述波特率,

    正常波特率的接收误差范围要小于2%,为了稳定通信要小于1%,(因为)且当前串口线较长,超过15cm

    3、实际测试

    双方通信测试(乱码测试),基于CH340测试。
    921600 测试乱码
    1000000 测试乱码
    1024000 测试乱码 (256000*4)
    2000000 测试乱码

    示波器采用KeySight(是德MSO X3054T),带宽为500MHZ,采样率5GSa/s,
    在这里插入图片描述

    对于板子的时钟,是否与实际的符合也做了测试。
    发送和接收均是针对Host端来说的。
    频率的抓取位置均是通过示波器自动完成的。
    (1)115200波特率的测试抓取。(发送)
    在这里插入图片描述

    115200波特率的测试抓取。(接收)
    在这里插入图片描述

    6250000/54 = 115740HZ,和抓到的波形频率一致。
    (2)1562500波特率测试(6250000/4 = 1562500 恰好整除)(接收,即开发板生成)
    在这里插入图片描述

    串口工具设置的频率若为1562500,(发送),选择那种可以自己设置波特率的串口工具。
    比如Mobaxterm以及SecureCRT。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    抓取的发送频率为:1.4966MHZ,误差率为:4.2%.
    两个波特率的测试,基本可以确定开发板的波特率总时钟是OK的。
    但是无法支持1M以上的波特率。

    4、最大波特率问题

    不太好确定双方都支持的最大波特率。即双方的波特率目前512000(误差率低于2%,可能误码率交高)是找到最大的且符合误差范围的波特率值。

    • 串口工具上常见的波特率,512000之上的开发板都不支持,即计算出来的误差率较高。

    • 1024000波特率是因为串口模块支持能力有限,虽然说得支持2MHz,但是实际测试下来误差较大。
      (CH340G与PL2302 在相同波特率下(1M以上)测试,无法正常通信)。

    • 其实我们经常看到51单片机或者串口模块的晶振选择11.05625MHZ,其实原因是特定晶振分出的串口波特率时钟偏差小。

    由下表可以看到11.0592MHZ的时钟偏差比12MHZ要小。

    时钟波特率分频系数误差
    11.0592MHZ/12MHZ96001152/12500%/0%
    11.0592MHZ/12MHZ11520096/1040%/0.16%
    11.0592MHZ/12MHZ23040048/520%/0.16%
    11.0592MHZ/12MHZ25600043/470.47%/0.26%
    11.0592MHZ/12MHZ46080024/260%/0.16%
    11.0592MHZ/12MHZ92160012/130%/0.16%

    假如我们不选择这种串口模块,其实可以配置成任意的波特率,只要符合一定范围内的误差就行。

    5、波特率提高

    再选择另外一种串口模块之后(CMSIS DAPLink 支持虚拟串口),波特率在1.5625Mhz可以成功通信。因为开发板4分频正好为1.5625Mhz。
    发送时钟频率(串口模块)
    在这里插入图片描述
    接收时钟频率(开发板发送时钟频率,相对概念)
    在这里插入图片描述
    误差计算为:0.064%,符合范围,可以正常通信。
    在这里插入图片描述

    6、总结

    0、发送乱码原因:模块支持M级别波特率的问题。
    1、选择常用固定的波特率是因为:ch340或者其他模块的时钟可以对这些常见波特率进行整分频。
    2、发现PL2302和CH340G在1M以上的波特率无法通信。
    3、如果需要较高的波特率(比如1M以上),需要看看模块是否满足,可以通过示波器来看,计算一下误差
    4、选择用一些可以自己设置波特率的串口工具,比如SecureCRT、Mobaxterm等。
    5、下次测试一下STM32的波特率支持情况
    6、波特率以及比特率的理解增加

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