GD32开发实战指南(基础篇) 第3章 GPIO流水灯的前世今生
描述
开发环境：
MDK：Keil 5.30
开发板：GD32F207I-EVAL
MCU：GD32F207IK
上一章通过控制GPIO的高低电平实现了流水灯，但只是告诉了大家怎么做，如何实现流水灯，本文将深入剖析的GPIO流水灯的前生今世，深入研究流水灯的调用逻辑和数据结构。
1 GPIO配置概述
前面一章大概讲解GPIO的配置过程和核心的寄存器，当然啦，关于GPIO的寄存器远不止我上一章列出来的，还有很多，具体请参看《GD32F20x_User_Manual》中GPIO相关的内容吧。
根据前面实现的GPIO流水灯，本文将其归纳如下：
要想控制LED亮灭，就需要做以上三件事：使能时钟，配置GPIO参数，最后循环控制GPIO的高低电平就能实现流水灯的效果，GPIO的寄存器这里就不说了，更多详细的寄存器描述看官方手册就行，下面先来看看GD32的时钟。
2 GD32的时钟系统
2.1 GD32的系统架构
GD32的系统架构比51单片机强大很多了。首先我们看看GD32的系统架构图：
GD32F20x系列器件是基于Arm® Cortex®-M3处理器的32位通用微控制器。 Arm® Cortex®-M3处理器包括三条AHB总线分别称为I-CODE总线、 D-Code总线和系统总线。
下面我们具体讲解一下图中几个总线的知识：
① ICode 总线：该总线将 M3 内核指令总线和闪存指令接口相连，指令的预取在该总线上面完成。
② DCode 总线：该总线将 M3 内核的 DCode 总线与闪存存储器的数据接口相连接，常量加载和调试访问在该总线上面完成。
③ 系统总线：该总线连接 M3 内核的系统总线到总线矩阵，总线矩阵协调内核和 DMA 间访问。
④ DMA 总线：该总线将 DMA 的 AHB 主控接口与总线矩阵相连，总线矩阵协调 CPU 的DCode 和 DMA 到 SRAM,闪存和外设的访问。
⑤ 总线矩阵：总线矩阵协调内核系统总线和 DMA 主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法。
⑥ AHB/APB 桥:这两个桥在 AHB 和 2 个 APB 总线间提供同步连接，APB1 操作速度限于60MHz,APB2 操作速度全速。
对于系统架构的知识，在刚开始学习 GD32 的时候只需要一个大概的了解，大致知道是个什么情况即可。
2.2 GD32时钟架构
时钟是整个处理器运行的基础，时钟信号推动处理器内各个部分执行相应的指令。时钟系统就是CPU的脉搏，决定CPU速率，像人的心跳一样 只有有了心跳，人才能做其他的事情，而单片机有了时钟，才能够运行执行指令，才能够做其他的处理 (点灯，串口，ADC)，时钟的重要性不言而喻。
我们在学习51单片机时，其最小系统必有晶振电路，这块电路就是单片机的时钟来源，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度。GD32相比51单片机就复杂得多，不仅是外设非常多，就连时钟来源就有四个。但我们实际使用的时候只会用到有限的几个外设，使用任何外设都需要时钟才能启动，但并不是所有的外设都需要系统时钟那么高的频率，为了兼容不同速度的设备，有些高速，有些低速，如果都用高速时钟，势必造成浪费，而且，同一个电路，时钟越快功耗越快，同时抗电磁干扰能力也就越弱，所以较为复杂的MCU都是采用多时钟源的方法来解决这些问题，因此便有了GD32的时钟系统和时钟树。
GD32三个不同的时钟源可以用来驱动系统时钟(CK_SYS)：
● IRC8M晶振时钟(高速内部时钟信号)
● HXTAL晶振时钟(高速外部时钟信号)
● PLL时钟
GD32有两个二级时钟源：
● 40kHz的低速内部IRC40K，它可以驱动独立看门狗，还可选择地通过程序选择驱动RTC。 RTC用于从停机/待机模式下自动唤醒系统。
● 32.768kHz的低速外部晶振LXTAL，可选择它用来驱动RTC。
每个时钟源在不使用时都可以单独被打开或关闭，这样就可以优化系统功耗。
2.3 GD32的时钟系统
GD32 芯片为了实现低功耗，设计了一个功能完善但却非常复杂的时钟系统。普通的MCU 一般只要配置好 GPIO 的寄存器就可以使用了，但 GD32还有一个步骤，就是开启外设时钟。
在 GD32中，可分为五种时钟源，为 IRC8M、HXTAL、IRC40K、LXTAL、PLL。从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，其中 IRC8M， HXTAL以及 PLL 是高速时钟，IRC40K和 LXTAL是低速时钟。从来源可分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源，其中 HXTAL和 LXTAL是外部时钟源，其他的是内部时钟源。
下面我们看看 GD32 的 5 个时钟源，我们讲解顺序是按图中红圈标示的顺序：
①IRC8M是__高速内部时钟__，RC 振荡器，频率为 8MHz。
②HXTAL是__高速外部时钟__，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为4MHz~32MHz。我们的开发板接的是 25M 的晶振。当使用有源晶振时，时钟从 OSC_IN 引脚进入， OSC_OUT 引脚悬空，当选用无源晶振时，时钟从 OSC_IN 和 OSC_OUT 进入，并且要配谐振电容。当确定 PLL 时钟来源的时候， HXTAL可以不分频或者 2 分频，这个由时钟配置寄存器 CFG0 的位 17。
③IRC40K是__低速内部时钟__，RC 振荡器，频率为 40kHz。独立看门狗的时钟源只能是 IRC40K，同时 IRC40K还可以作为 RTC 的时钟源。
④LXTAL是__低速外部时钟__，接频率为 32.768kHz 的石英晶体。这个主要是 RTC 的时钟源。
⑤PLL 为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为 IRC8M、HXTAL。倍频可选择为2~32倍，但是其输出频率最大不得超过 120MHz。
图中我们用 A~E 标示我们要讲解的地方。
A. OUT是 GD32 的一个时钟输出IO，它可以选择一个时钟信号输出， 可以选择为 PLL 输出的 2 分频、IRC8M、HXTAL、或者系统时钟。这个时钟可以用来给外部其他系统提供时钟源。
B. 这里是 RTC 时钟源，从图上可以看出，RTC 的时钟源可以选择 IRC40K，以及HXTAL的 128 分频。
C. 从图中可以看出 C 处 USB 的时钟是来自 PLL 时钟源。 GD32 中有一个全速功能的 USB 模块，其串行接口引擎需要一个频率为 48MHz 的时钟源。该时钟源只能从 PLL 输出端获取，可以选择为 1/1.5/2/2.5 分频。
D. D 处就是 GD32 的系统时钟 SYSCLK，它是供 GD32 中绝大部分部件工作的时钟源。系统时钟可选择为 PLL 输出、 IRC8M或者 HXTAL。系统时钟最大频率为 120MHz，当然你也可以超频，不过一般情况为了系统稳定性是没有必要冒风险去超频的。
E. 这里的 E 处是指其他所有外设了。从时钟图上可以看出，其他所有外设的时钟最终来源都是 SYSCLK。SYSCLK 通过 AHB 分频器分频后送给各模块使用。这些模块包括：
①AHB 总线、内核、内存和 DMA 使用的 HCLK 时钟。
②通过 8 分频后送给 Cortex 的系统定时器时钟，也就是 systick 了。
③直接送给 Cortex 的空闲运行时钟 FCLK。
④送给 APB1 分频器。APB1 分频器输出一路供 APB1 外设使用(PCLK1，最大频率 60MHz)，另一路送给定时器(Timer)使用。
⑤送给 APB2 分频器。APB2 分频器分频输出一路供APB2外设使用(PCLK2，最大频率 120MHz)，另一路送给定时器(Timer)使用。
其中需要理解的是 APB1 和 APB2 的区别， APB1 上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、 CAN、 USB、 I2C0、 I2C1、 UART1、 UART2 等等， APB2 上面连接的是高速外设包括 UART0、 SPI0、 Timer0、 ADC0、 ADC1、所有普通 IO 口(PA~PG)、第二功能 IO 口等。
不同的总线有不同的频率，不同的外设挂在不同的总线下，为了更适合初学者查阅，笔者把常用的外设与总线的对应关系总结如下：
SystemInit()函数中设置的系统时钟大小：
- SYSCLK（系统时钟） =120MHz
- AHB 总线时钟(使用 SYSCLK) =120MHz
- APB1 总线时钟(PCLK1) =60MHz
- APB2 总线时钟(PCLK2) =120MHz
- PLL 时钟 =120MHz
值得注意的是，GD32F207系列有多个PLL，具体参看源码。
2.4 GD32的时钟配置剖析
既然时钟搞清楚了，接下来回到上一章的配置时钟的代码：
/*enable the LED clock*/
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOF );
rcu_periph_clock_enable就是配置时钟的函数，函数原型如下：
/*!
\\brief enable the peripherals clock
\\param[in] periph: RCU peripherals, refer to rcu_periph_enum
only one parameter can be selected which is shown as below:
\\arg RCU_GPIOx (x=A,B,C,D,E,F,G,H,I): GPIO ports clock
\\arg RCU_AF : alternate function clock
\\arg RCU_CRC: CRC clock
\\arg RCU_DMAx (x=0,1): DMA clock
\\arg RCU_ENET: ENET clock
\\arg RCU_ENETTX: ENETTX clock
\\arg RCU_ENETRX: ENETRX clock
\\arg RCU_USBFS: USBFS clock
\\arg RCU_EXMC: EXMC clock
\\arg RCU_TIMERx (x=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13): TIMER clock
\\arg RCU_WWDGT: WWDGT clock
\\arg RCU_SPIx (x=0,1,2): SPI clock
\\arg RCU_USARTx (x=0,1,2,5): USART clock
\\arg RCU_UARTx (x=3,4,6,7): UART clock
\\arg RCU_I2Cx (x=0,1,2): I2C clock
\\arg RCU_CANx (x=0,1): CAN clock
\\arg RCU_PMU: PMU clock
\\arg RCU_DAC: DAC clock
\\arg RCU_RTC: RTC clock
\\arg RCU_ADCx (x=0,1,2): ADC clock
\\arg RCU_SDIO: SDIO clock
\\arg RCU_BKPI: BKP interface clock
\\arg RCU_TLI: TLI clock
\\arg RCU_DCI: DCI clock
\\arg RCU_CAU: CAU clock
\\arg RCU_HAU: HAU clock
\\arg RCU_TRNG: TRNG clock
\\param[out] none
\\retval none
*/
void rcu_periph_clock_enable(rcu_periph_enum periph)
{
RCU_REG_VAL(periph) |= BIT(RCU_BIT_POS(periph));
}
整个函数就一个参数，其参数就是具体的外设时钟，整个函数很简单，就是打开具体的外设时钟。
参数periph传入值是通过宏来定义的，这样的好处也是便于移植，如果换了MCU，架构一样，只需要就该底层驱动就行，不需要更改上层应用，这样就提高了开发效率。言归正传，我们传入的RCU_GPIOC定义如下。
RCU_GPIOF是一个枚举类型。我们继续追溯以上的宏。
/* constants definitions */
/* define the peripheral clock enable bit position and its register index offset */
#define RCU_REGIDX_BIT(regidx, bitpos) (((uint32_t)(regidx) << 6) | (uint32_t)(bitpos))
#define RCU_REG_VAL(periph) (REG32(RCU + ((uint32_t)(periph) >> 6)))
#define RCU_BIT_POS(val) ((uint32_t)(val) & 0x1FU)
#define APB2EN_REG_OFFSET 0x18U /*!< APB2 enable register offset */
#define BIT(x) ((uint32_t)((uint32_t)0x01U<<(x)))
/* RCU definitions */
#define RCU RCU_BASE
#define RCU_BASE (AHB1_BUS_BASE + 0x00009000U) /*!< RCU base address */
#define AHB1_BUS_BASE ((uint32_t)0x40018000U) /*!< ahb1 base address */
以上宏定义就是整个时钟初始化相关的宏定义了，将其带入函数中。RCU的基地址就是0x40018000+0x9000。可以从GD32参考手册中获取。
AHB1总线的基地址是0x40018000。
RCU偏移是0x9000。
RCU_REG_VAL(RCU_GPIOF)最终的结果是0x40021018。
宏定义BIT就是获取GPIO具体的使能位。
BIT(RCU_BIT_POS(RCU_GPIOF))最终的结果就是0x64。
最终的函数替换后如下：
0x40021018 |= 0x64;
都是宏定义直接替换就行，还是比较简单。
这里需要注意RCU_REGIDX_BIT宏定义。
#define RCU_REGIDX_BIT(regidx, bitpos) (((uint32_t)(regidx) << 6) | (uint32_t)(bitpos))
该宏定义就是将要配置的寄存器偏移和bit位绑定在一起，然后再通过以下宏定义分开偏移和bit位。
#define RCU_REG_VAL(periph) (REG32(RCU + ((uint32_t)(periph) >> 6)))
#define RCU_BIT_POS(val) ((uint32_t)(val) & 0x1FU)
RCU的APB2使能寄存器如下：
这里配置GPIOF的时钟，需要将第7位置1，因此转换成10进制就是64，和代码就匹配起来了。
GD32的固件库和STM32的固件库还是有一些差别的，但是不管如何，最终都是配置的寄存器，只是STM32通过结构体对外设进行了封装，GD32是通过宏定义直接替换，偏向于直接操作寄存器。
3 GD32的地址映射
我们先看看51 单片机中是怎么做的，51 单片机开发中会引用一个 reg51.h 的头文件，51单片机是通过以下方式将名字和寄存器联系起来的：
sfr P0 =0x80;
sfr 也是一种扩充数据类型，占用一个内存单元，值域为 0～255。利用它可以访问 51 单片机内部的所有特殊功能寄存器。如用 sfr P1 = 0x90 这一句定义 P1 为 P1 端口在片内的寄存器。然后我们往地址为 0x80 的寄存器设值的方法是： P0=value；通过改变value的值来控制单片机。
所谓地址映射，就是将芯片上的存储器甚至 I/O 等资源与地址建立一一对应的关系。如果某地址对应着某寄存器，我们就可以运用 C 语言的指针来寻址并修改这个地址上的内容，从而实现修改该寄存器的内容。Cortex-M的地址映射也是类似的。Cortex-M有 32 根地址线，所以它的寻址空间大小为 2 32 bit=4 GB。ARM 公司设计时，预先把这 4 GB 的寻址空间大致地分配好了。它把从 0x40000000 至 0x5FFFFFFF（ 512 MB）的地址分配给片上外设。通过把片上外设的寄存器映射到这个地址区，就可以简单地以访问内存的方式，访问这些外设的寄存器，从而控制外设的工作。这样，片上外设可以使用 C 语言来操作。
gd32f10x.h 这个文件中重要的内容就是把 GD32 的所有寄存器进行地址映射。如同51 单片机的 头文件一样，gd32f10x.h 像一个大表格，我们在使用的时候就是通过宏定义进行类似查表的操作，但是这样操作会很麻烦，而且32位的MCU寄存器很多，非常不方便。于是就有了现在的固件库。
在这里我们以流水灯中的 GPIOF为例进行剖析，如果是其他的 IO 端口，则改成相应的地址即可。在这个文件中一系列宏实现了地址映射。
#define APB2_BUS_BASE ((uint32_t)0x40010000U) /*!< apb2 base address */
#define GPIO_BASE (APB2_BUS_BASE + 0x00000800U) /*!< GPIO base address */
这几个宏定义是从文件中的几个部分抽离出来的，具体的内容读者可参考gd32f10x.h 源码。
宏APB2_BUS_BASE指向的地址为 0x40010000。这个 APB2_BUS_BASE宏是什么地址呢？GD32 不同的外设是挂载在不同的总线上的。GD32 芯片有 AHB 总线、APB2总线和 APB1 总线，挂载在这些总线上的外设有特定的地址范围。其中像 GPIO、串口 1、ADC 及部分定时器是挂载在称为 APB2 的总线上，挂载到APB2 总 线上的外设地址空间是从0x40010000 至 0x40017FFF地址。这里的第一个地址，也就是 0x40010000，称为 APB2_BUS_BASE（APB2 总线外设基地址）。
而 APB2 总线基地址相对于外设基地址的偏移量为 0x10000 个地址，即为 APB2 相对外设基地址的偏移地址。
最后到了宏 GPIO_BASE，宏展开为 APB2_BUS_BASE加上偏移量 0x1400得到了 GPIO端口的寄存器组的基地址。
在gd32f20x_gpio.h 文件，我们还可以发现有关各个 GPIO 基地址的宏。
/* GPIOx(x=A,B,C,D,E,F,G,H,I) definitions */
#define GPIOA (GPIO_BASE + 0x00000000U) /*!< GPIOA bsae address */
#define GPIOB (GPIO_BASE + 0x00000400U) /*!< GPIOB bsae address */
#define GPIOC (GPIO_BASE + 0x00000800U) /*!< GPIOC bsae address */
#define GPIOD (GPIO_BASE + 0x00000C00U) /*!< GPIOD bsae address */
#define GPIOE (GPIO_BASE + 0x00001000U) /*!< GPIOE bsae address */
#define GPIOF (GPIO_BASE + 0x00001400U) /*!< GPIOF bsae address */
#define GPIOG (GPIO_BASE + 0x00001800U) /*!< GPIOG bsae address */
#define GPIOH (GPIO_BASE + 0x00006C00U) /*!< GPIOH bsae address */
#define GPIOI (GPIO_BASE + 0x00007000U) /*!< GPIOI bsae address */
除了 GPIOF寄存器组的地址，还有 GPIOA、GPIOB等地址，并且这些地址是不一样的。前面提到，每组 GPIO 都对应着独立的一组寄存器，查看 GD32 的数据手册。
注意到这个说明中有一个偏移地址：0x1400，这里的偏移地址是相对哪个地址的偏移呢？下面进行举例说明。
4 固件库对寄存器的封装
GD的工程师用结构体的形式封装了寄存器组，在gd32f20x_gpio.h文件定义的。
/* GPIOx(x=A,B,C,D,E,F,G,H,I) definitions */
#define GPIOA (GPIO_BASE + 0x00000000U) /*!< GPIOA bsae address */
#define GPIOB (GPIO_BASE + 0x00000400U) /*!< GPIOB bsae address */
#define GPIOC (GPIO_BASE + 0x00000800U) /*!< GPIOC bsae address */
#define GPIOD (GPIO_BASE + 0x00000C00U) /*!< GPIOD bsae address */
#define GPIOE (GPIO_BASE + 0x00001000U) /*!< GPIOE bsae address */
#define GPIOF (GPIO_BASE + 0x00001400U) /*!< GPIOF bsae address */
#define GPIOG (GPIO_BASE + 0x00001800U) /*!< GPIOG bsae address */
#define GPIOH (GPIO_BASE + 0x00006C00U) /*!< GPIOH bsae address */
#define GPIOI (GPIO_BASE + 0x00007000U) /*!< GPIOI bsae address */
有了这些宏，我们就可以定位到具体的寄存器地址，gd32f10x_gpio.h 文件中定义了以下类型的宏定义。
/* GPIO registers definitions */
#define GPIO_CTL0(gpiox) REG32((gpiox) + 0x00000000U) /*!< GPIO port control register 0 */
#define GPIO_CTL1(gpiox) REG32((gpiox) + 0x00000004U) /*!< GPIO port control register 1 */
#define GPIO_ISTAT(gpiox) REG32((gpiox) + 0x00000008U) /*!< GPIO port input status register */
#define GPIO_OCTL(gpiox) REG32((gpiox) + 0x0000000CU) /*!< GPIO port output control register */
#define GPIO_BOP(gpiox) REG32((gpiox) + 0x00000010U) /*!< GPIO port bit operation register */
#define GPIO_BC(gpiox) REG32((gpiox) + 0x00000014U) /*!< GPIO bit clear register */
#define GPIO_LOCK(gpiox) REG32((gpiox) + 0x00000018U) /*!< GPIO port configuration lock register */
这里定义了 7 个宏定义，两个宏之间是4 个字节地址的偏移量。
0x010偏移量正是 GPIOx_BOP寄存器相对于所在寄存器组的偏移地址。
通过类似的方式，我们就可以给具体的寄存器写上适当的参数以控制 GD32 了。
这样我们就可以通过库函数实现了GPIO的初始化了。
/*!
\\brief GPIO parameter initialization
\\param[in] gpio_periph: GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G,H,I)
\\param[in] mode: gpio pin mode
only one parameter can be selected which is shown as below:
\\arg GPIO_MODE_AIN: analog input mode
\\arg GPIO_MODE_IN_FLOATING: floating input mode
\\arg GPIO_MODE_IPD: pull-down input mode
\\arg GPIO_MODE_IPU: pull-up input mode
\\arg GPIO_MODE_OUT_OD: GPIO output with open-drain
\\arg GPIO_MODE_OUT_PP: GPIO output with push-pull
\\arg GPIO_MODE_AF_OD: AFIO output with open-drain
\\arg GPIO_MODE_AF_PP: AFIO output with push-pull
\\param[in] speed: gpio output max speed value
only one parameter can be selected which is shown as below:
\\arg GPIO_OSPEED_10MHZ: output max speed 10MHz
\\arg GPIO_OSPEED_2MHZ: output max speed 2MHz
\\arg GPIO_OSPEED_50MHZ: output max speed 50MHz
\\param[in] pin: GPIO pin
one or more parameters can be selected which are shown as below:
\\arg GPIO_PIN_x(x=0..15), GPIO_PIN_ALL
\\param[out] none
\\retval none
*/
void gpio_init(uint32_t gpio_periph, uint32_t mode, uint32_t speed, uint32_t pin)
{
uint16_t i;
uint32_t temp_mode = 0U;
uint32_t reg = 0U;
/* GPIO mode configuration */
temp_mode = (uint32_t)(mode & ((uint32_t)0x0FU));
/* GPIO speed configuration */
if(((uint32_t)0x00U) != ((uint32_t)mode & ((uint32_t)0x10U))) {
/* output mode max speed: 10MHz, 2MHz, 50MHz */
temp_mode |= (uint32_t)speed;
}
/* configure the eight low port pins with GPIO_CTL0 */
for(i = 0U; i < 8U; i++) {
if((1U << i) & pin) {
reg = GPIO_CTL0(gpio_periph);
/* clear the specified pin mode bits */
reg &= ~GPIO_MODE_MASK(i);
/* set the specified pin mode bits */
reg |= GPIO_MODE_SET(i, temp_mode);
/* set IPD or IPU */
if(GPIO_MODE_IPD == mode) {
/* reset the corresponding OCTL bit */
GPIO_BC(gpio_periph) = (uint32_t)((1U << i) & pin);
} else {
/* set the corresponding OCTL bit */
if(GPIO_MODE_IPU == mode) {
GPIO_BOP(gpio_periph) = (uint32_t)((1U << i) & pin);
}
}
/* set GPIO_CTL0 register */
GPIO_CTL0(gpio_periph) = reg;
}
}
/* configure the eight high port pins with GPIO_CTL1 */
for(i = 8U; i < 16U; i++) {
if((1U << i) & pin) {
reg = GPIO_CTL1(gpio_periph);
/* clear the specified pin mode bits */
reg &= ~GPIO_MODE_MASK(i - 8U);
/* set the specified pin mode bits */
reg |= GPIO_MODE_SET(i - 8U, temp_mode);
/* set IPD or IPU */
if(GPIO_MODE_IPD == mode) {
/* reset the corresponding OCTL bit */
GPIO_BC(gpio_periph) = (uint32_t)((1U << i) & pin);
} else {
/* set the corresponding OCTL bit */
if(GPIO_MODE_IPU == mode) {
GPIO_BOP(gpio_periph) = (uint32_t)((1U << i) & pin);
}
}
/* set GPIO_CTL1 register */
GPIO_CTL1(gpio_periph) = reg;
}
}
}
然后再main函数中调用gpio\\_init\\(\\)函数接口对GPIO初始化了。
通过对时钟和GPIO的分析，我想大家已经对固件的逻辑有了一定的认识，从本质上讲，都是在配置寄存器，只是地址和值不同罢了，而固件库就是对寄存器配置的封装，便于开发者调用。
值得注意的是，GD32的固件库并没有使用结构体来对寄存器组进行封装，全程用的宏定义，这点和STM32有很大的不同。
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