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分类: LINUX

2009-08-18 13:06:04

本文针对arm linux, 从kernel的第一条指令开始分析,一直分析到进入start_kernel()函数.
我们当前以linux-2.6.19内核版本作为范例来分析,本文中所有的代码,前面都会加上行号以便于和源码进行对照.
例:
在文件init/main.c中:
00478: asmlinkage void __init start_kernel(void)
前面的"00478:" 表示478行,冒号后面的内容就是源码了.

在分析代码的过程中,我们使用缩进来表示各个代码的调用层次.

由于启动部分有一些代码是平台特定的,虽然大部分的平台所实现的功能都比较类似,但是为了更好的对code进行说明,对于平台相关的代码,我们选择at91(ARM926EJS)平台进行分析.

另外,本文是以uncompressed kernel开始讲解的.对于内核解压缩部分的code,在 arch/arm/boot/compressed中,本文不做讨论.


一. 启动条件
 通常从系统上电到执行到linux kenel这部分的任务是由boot loader来完成.
 关于boot loader的内容,本文就不做过多介绍.
 这里只讨论进入到linux kernel的时候的一些限制条件,这一般是boot loader在最后跳转到kernel之前要完成的:
 1. CPU必须处于SVC(supervisor)模式,并且IRQ和FIQ中断都是禁止的;
 2. MMU(内存管理单元)必须是关闭的, 此时虚拟地址对物理地址;
 3. 数据cache(Data cache)必须是关闭的
 4. 指令cache(Instruction cache)可以是打开的,也可以是关闭的,这个没有强制要求;
 5. CPU 通用寄存器0 (r0)必须是 0;
 6. CPU 通用寄存器1 (r1)必须是 ARM Linux machine type (关于machine type, 我们后面会有讲解)
 7. CPU 通用寄存器2 (r2) 必须是 kernel parameter list 的物理地址(parameter list 是由boot loader传递给kernel,用来描述设备信息属性的列表,详细内容可参考"Booting ARM Linux"文档).
 
二. starting kernel

首先,我们先对几个重要的宏进行说明(我们针对有MMU的情况):


     宏                 位置                           默认值          说明
KERNEL_RAM_ADDR  arch/arm/kernel/head.S +26          0xc0008000      kernel在RAM中的的虚拟地址
PAGE_OFFSET      include/asm-arm/memeory.h +50       0xc0000000      内核空间的起始虚拟地址
TEXT_OFFSET      arch/arm/Makefile +137              0x00008000      内核相对于存储空间的偏移
TEXTADDR         arch/arm/kernel/head.S +49          0xc0008000      kernel的起始虚拟地址
PHYS_OFFSET      include/asm-arm/arch-xxx/memory.h   平台相关        RAM的起始物理地址

 

 内核的入口是stext,这是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定义的:
 00011: ENTRY(stext)
 对于vmlinux.lds.S,这是ld script文件,此文件的格式和汇编及C程序都不同,本文不对ld script作过多的介绍,只对内核中用到的内容进行讲解,关于ld的详细内容可以参考ld.info
 这里的ENTRY(stext) 表示程序的入口是在符号stext.
 而符号stext是在arch/arm/kernel/head.S中定义的:
 下面我们将arm linux boot的主要代码列出来进行一个概括的介绍,然后,我们会逐个的进行详细的讲解.
 
 在arch/arm/kernel/head.S中 72 - 94 行,是arm linux boot的主代码:

00072: ENTRY(stext)                                                       
00073:  msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
00074:       @ and irqs disabled       
00075:  mrc p15, 0, r9, c0, c0  @ get processor id        
00076:  bl __lookup_processor_type  @ r5=procinfo r9=cpuid    
00077:  movs r10, r5    @ invalid processor (r5=0)?
00078:  beq __error_p   @ yes, error 'p'          
00079:  bl __lookup_machine_type  @ r5=machinfo             
00080:  movs r8, r5    @ invalid machine (r5=0)? 
00081:  beq __error_a   @ yes, error 'a'          
00082:  bl __create_page_tables                                      
00083:                                                                    
00084:                                                                 
00091:  ldr r13, __switch_data  @ address to jump to after
00092:       @ mmu has been enabled    
00093:  adr lr, __enable_mmu  @ return (PIC) address    
00094:  add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC                               


其中,73行是确保kernel运行在SVC模式下,并且IRQ和FIRQ中断已经关闭,这样做是很谨慎的.

arm linux boot的主线可以概括为以下几个步骤:
 1. 确定 processor type                 (75 - 78行)
 2. 确定 machine type                 (79 - 81行)
 3. 创建页表                  (82行)    
 4. 调用平台特定的__cpu_flush函数        (在struct proc_info_list中) (94 行)                           
 5. 开启mmu                  (93行)
 6. 切换数据                   (91行)
 
 最终跳转到start_kernel                 (在__switch_data的结束的时候,调用了 b start_kernel)

下面,我们按照这个主线,逐步的分析Code.

1. 确定 processor type
 


    arch/arm/kernel/head.S中:
00075:  mrc p15, 0, r9, c0, c0  @ get processor id        
00076:  bl __lookup_processor_type  @ r5=procinfo r9=cpuid    
00077:  movs r10, r5    @ invalid processor (r5=0)?
00078:  beq __error_p   @ yes, error 'p'          

75行: 通过cp15协处理器的c0寄存器来获得processor id的指令. 关于cp15的详细内容可参考相关的arm手册

76行: 跳转到__lookup_processor_type.在__lookup_processor_type中,会把processor type 存储在r5中
77,78行: 判断r5中的processor type是否是0,如果是0,说明是无效的processor type,跳转到__error_p(出错)

__lookup_processor_type 函数主要是根据从cpu中获得的processor id和系统中的proc_info进行匹配,将匹配到的proc_info_list的基地址存到r5中, 0表示没有找到对应的processor type.

下面我们分析__lookup_processor_type函数
 arch/arm/kernel/head-common.S中:
 
00145:  .type __lookup_processor_type, %function
00146: __lookup_processor_type:
00147:  adr r3, 3f
00148:  ldmda r3, {r5 - r7}
00149:  sub r3, r3, r7   @ get offset between virt&phys
00150:  add r5, r5, r3   @ convert virt addresses to
00151:  add r6, r6, r3   @ physical address space
00152: 1: ldmia r5, {r3, r4}   @ value, mask
00153:  and r4, r4, r9   @ mask wanted bits
00154:  teq r3, r4
00155:  beq 2f
00156:  add r5, r5, #PROC_INFO_SZ  @ sizeof(proc_info_list)
00157:  cmp r5, r6
00158:  blo 1b
00159:  mov r5, #0    @ unknown processor
00160: 2: mov pc, lr
00161:
00162:
00165: ENTRY(lookup_processor_type)
00166:  stmfd sp!, {r4 - r7, r9, lr}
00167:  mov r9, r0
00168:  bl __lookup_processor_type
00169:  mov r0, r5
00170:  ldmfd sp!, {r4 - r7, r9, pc}
00171:
00172:
00176:  .long __proc_info_begin
00177:  .long __proc_info_end
00178: 3: .long .
00179:  .long __arch_info_begin
00180:  .long __arch_info_end
 
   
145, 146行是函数定义
147行: 取地址指令,这里的3f是向前symbol名称是3的位置,即第178行,将该地址存入r3.
        这里需要注意的是,adr指令取址,获得的是基于pc的一个地址,要格外注意,这个地址是3f处的"运行时地址",由于此时MMU还没有打开,也可以理解成物理地址(实地址).(详细内容可参考arm指令手册)
       
148行: 因为r3中的地址是178行的位置的地址,因而执行完后:
        r5存的是176行符号 __proc_info_begin的地址;
        r6存的是177行符号 __proc_info_end的地址;
        r7存的是3f处的地址.
        这里需要注意链接地址和运行时地址的区别. r3存储的是运行时地址(物理地址),而r7中存储的是链接地址(虚拟地址).
       
         __proc_info_begin和__proc_info_end是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中:
        00031:  __proc_info_begin = .;
        00032:   *(.proc.info.init)
        00033:  __proc_info_end = .;

        这里是声明了两个变量:__proc_info_begin 和 __proc_info_end,其中等号后面的"."是location counter(详细内容请参考ld.info)
        这三行的意思是: __proc_info_begin 的位置上,放置所有文件中的 ".proc.info.init" 段的内容,然后紧接着是 __proc_info_end 的位置.

        kernel 使用struct proc_info_list来描述processor type.
         在 include/asm-arm/procinfo.h 中:
        00029: struct proc_info_list {
        00030:  unsigned int  cpu_val;
        00031:  unsigned int  cpu_mask;
        00032:  unsigned long  __cpu_mm_mmu_flags; 
        00033:  unsigned long  __cpu_io_mmu_flags; 
        00034:  unsigned long  __cpu_flush;  
        00035:  const char  *arch_name;
        00036:  const char  *elf_name;
        00037:  unsigned int  elf_hwcap;
        00038:  const char  *cpu_name;
        00039:  struct processor *proc;
        00040:  struct cpu_tlb_fns *tlb;
        00041:  struct cpu_user_fns *user;
        00042:  struct cpu_cache_fns *cache;
        00043: };
       
        我们当前以at91为例,其processor是926的.
                在arch/arm/mm/proc-arm926.S 中:
        00464:  .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
        00465:
        00466:  .type __arm926_proc_info,#object
        00467: __arm926_proc_info:
        00468:  .long 0x41069260   @ ARM926EJ-S (v5TEJ)
        00469:  .long 0xff0ffff0
        00470:  .long   PMD_TYPE_SECT | \
        00471:   PMD_SECT_BUFFERABLE | \
        00472:   PMD_SECT_CACHEABLE | \
        00473:   PMD_BIT4 | \
        00474:   PMD_SECT_AP_WRITE | \
        00475:   PMD_SECT_AP_READ
        00476:  .long   PMD_TYPE_SECT | \
        00477:   PMD_BIT4 | \
        00478:   PMD_SECT_AP_WRITE | \
        00479:   PMD_SECT_AP_READ
        00480:  __arm926_setup
        00481:  .long cpu_arch_name
        00482:  .long cpu_elf_name
        00483:  .long HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_VFP|HWCAP_EDSP|HWCAP_JAVA
        00484:  .long cpu_arm926_name
        00485:  .long arm926_processor_functions
        00486:  .long v4wbi_tlb_fns
        00487:  .long v4wb_user_fns
        00488:  .long arm926_cache_fns
        00489:  .size __arm926_proc_info, . - __arm926_proc_info
       
        从464行,我们可以看到 __arm926_proc_info 被放到了".proc.info.init"段中.
        对照struct proc_info_list,我们可以看到 __cpu_flush的定义是在480行,即__arm926_setup.(我们将在"4. 调用平台特定的__cpu_flush函数"一节中详细分析这部分的内容.)
       
从以上的内容我们可以看出: r5中的__proc_info_begin是proc_info_list的起始地址, r6中的__proc_info_end是proc_info_list的结束地址.

149行: 从上面的分析我们可以知道r3中存储的是3f处的物理地址,而r7存储的是3f处的虚拟地址,这一行是计算当前程序运行的物理地址和虚拟地址的差值,将其保存到r3中.

150行: 将r5存储的虚拟地址(__proc_info_begin)转换成物理地址
151行: 将r6存储的虚拟地址(__proc_info_end)转换成物理地址
152行: 对照struct proc_info_list,可以得知,这句是将当前proc_info的cpu_val和cpu_mask分别存r3, r4中
153行: r9中存储了processor id(arch/arm/kernel/head.S中的75行),与r4的cpu_mask进行逻辑与操作,得到我们需要的值
154行: 将153行中得到的值与r3中的cpu_val进行比较
155行: 如果相等,说明我们找到了对应的processor type,跳到160行,返回
156行: (如果不相等) , 将r5指向下一个proc_info,
157行: 和r6比较,检查是否到了__proc_info_end.
158行: 如果没有到__proc_info_end,表明还有proc_info配置,返回152行继续查找
159行: 执行到这里,说明所有的proc_info都匹配过了,但是没有找到匹配的,将r5设置成0(unknown processor)
160行: 返回

2. 确定 machine type

    arch/arm/kernel/head.S中:
00079:  bl __lookup_machine_type  @ r5=machinfo             
00080:  movs r8, r5    @ invalid machine (r5=0)? 
00081:  beq __error_a   @ yes, error 'a' 

79行: 跳转到__lookup_machine_type函数,在__lookup_machine_type中,会把struct machine_desc的基地址(machine type)存储在r5中
80,81行: 将r5中的 machine_desc的基地址存储到r8中,并判断r5是否是0,如果是0,说明是无效的machine type,跳转到__error_a(出错)

__lookup_machine_type 函数
下面我们分析__lookup_machine_type 函数:

        arch/arm/kernel/head-common.S中:
       
00176:  .long __proc_info_begin
00177:  .long __proc_info_end
00178: 3: .long .
00179:  .long __arch_info_begin
00180:  .long __arch_info_end
00181:
00182:  
00193:  .type __lookup_machine_type, %function
00194: __lookup_machine_type:
00195:  adr r3, 3b
00196:  ldmia r3, {r4, r5, r6}
00197:  sub r3, r3, r4   @ get offset between virt&phys
00198:  add r5, r5, r3   @ convert virt addresses to
00199:  add r6, r6, r3   @ physical address space
00200: 1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type
00201:  teq r3, r1    @ matches loader number?
00202:  beq 2f    @ found
00203:  add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc
00204:  cmp r5, r6
00205:  blo 1b
00206:  mov r5, #0    @ unknown machine
00207: 2: mov pc, lr

193, 194行: 函数声明
195行: 取地址指令,这里的3b是向后symbol名称是3的位置,即第178行,将该地址存入r3.
        和上面我们对__lookup_processor_type 函数的分析相同,r3中存放的是3b处物理地址.
196行: r3是3b处的地址,因而执行完后:
        r4存的是 3b处的地址
        r5存的是__arch_info_begin 的地址
        r6存的是__arch_info_end 的地址

        __arch_info_begin 和 __arch_info_end是在 arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中:

        00034:  __arch_info_begin = .;
        00035:   *(.arch.info.init)
        00036:  __arch_info_end = .;
    

        这里是声明了两个变量:__arch_info_begin 和 __arch_info_end,其中等号后面的"."是location counter(详细内容请参考ld.info)
        这三行的意思是: __arch_info_begin 的位置上,放置所有文件中的 ".arch.info.init" 段的内容,然后紧接着是 __arch_info_end 的位置.

        kernel 使用struct machine_desc 来描述 machine type.
        在 include/asm-arm/mach/arch.h 中:

        00017: struct machine_desc {
        00018:  
        00022:  unsigned int  nr;  
        00023:  unsigned int  phys_io; 
        00024:  unsigned int  io_pg_offst; 
        00026:
        00027:  const char  *name;  
        00028:  unsigned long  boot_params; 
        00029:
        00030:  unsigned int  video_start; 
        00031:  unsigned int  video_end; 
        00032:
        00033:  unsigned int  reserve_lp0 :1; 
        00034:  unsigned int  reserve_lp1 :1; 
        00035:  unsigned int  reserve_lp2 :1; 
        00036:  unsigned int  soft_reboot :1; 
        00037:  void   (*fixup)(struct machine_desc *,
        00038:       struct tag *, char **,
        00039:       struct meminfo *);
        00040:  void   (*map_io)(void);
        00041:  void   (*init_irq)(void);
        00042:  struct sys_timer *timer;  
        00043:  void   (*init_machine)(void);
        00044: };
        00045:
        00046:
        00050: #define MACHINE_START(_type,_name)   \
        00051: static const struct machine_desc __mach_desc_##_type \
        00052:  __attribute_used__     \
        00053:  __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { \
        00054:  .nr  = MACH_TYPE_##_type,  \
        00055:  .name  = _name,
        00056:
        00057: #define MACHINE_END    \
        00058: };       
       
        内核中,一般使用宏MACHINE_START来定义machine type.
        对于at91, 在 arch/arm/mach-at91rm9200/board-ek.c 中:
        00137: MACHINE_START(AT91RM9200EK, "Atmel AT91RM9200-EK")
        00138:  
        00139:  .phys_io = AT91_BASE_SYS,
        00140:  .io_pg_offst = (AT91_VA_BASE_SYS >> 18) & 0xfffc,
        00141:  .boot_params = AT91_SDRAM_BASE + 0x100,
        00142:  .timer  = &at91rm9200_timer,
        00143:  .map_io  = ek_map_io,
        00144:  .init_irq = ek_init_irq,
        00145:  .init_machine = ek_board_init,
        00146: MACHINE_END


197行: r3中存储的是3b处的物理地址,而r4中存储的是3b处的虚拟地址,这里计算处物理地址和虚拟地址的差值,保存到r3中
198行: 将r5存储的虚拟地址(__arch_info_begin)转换成物理地址 

           
199行: 将r6存储的虚拟地址(__arch_info_end)转换成物理地址            
200行: MACHINFO_TYPE 在 arch/arm/kernel/asm-offset.c 101行定义, 这里是取 struct machine_desc中的nr(architecture number) 到r3中
201行: 将r3中取到的machine type 和 r1中的 machine type(见前面的"启动条件")进行比较
202行: 如果相同,说明找到了对应的machine type,跳转到207行的2f处,此时r5中存储了对应的struct machine_desc的基地址
203行: (不相同), 取下一个machine_desc的地址
204行: 和r6进行比较,检查是否到了__arch_info_end.
205行: 如果不相同,说明还有machine_desc,返回200行继续查找.
206行: 执行到这里,说明所有的machind_desc都查找完了,并且没有找到匹配的, 将r5设置成0(unknown machine).
207行: 返回

3. 创建页表

通过前面的两步,我们已经确定了processor type 和 machine type.
此时,一些特定寄存器的值如下所示:
r8 = machine info       (struct machine_desc的基地址)
r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id)
r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)

创建页表是通过函数 __create_page_tables 来实现的.
这里,我们使用的是arm的L1主页表,L1主页表也称为段页表(section page table)
L1 主页表将4 GB 的地址空间分成若干个1 MB的段(section),因此L1页表包含4096个页表项(section entry). 每个页表项是32 bits(4 bytes)
因而L1主页表占用 4096 *4 = 16k的内存空间.

        对于ARM926,其L1 section entry的格式为:(可参考arm926EJS TRM):
                                                                                     
                                                                             
    31                          20 19        12 11 10 9 8      5 4 3 2 1 0   
   +------------------------------+------------+-----+-+--------+-+-+-+-+-+  
                                            | |        | | | | | |  
        Base Address             SBZ     | AP  |0| Domain |1|C|B|1|0|  
                                            | |        | | | | | |  
   +------------------------------+------------+-----+-+--------+-+-+-+-+-+  
                                                                             
                                                                             
   B - Write Buffer Bit                                                      
                                                                             
   C - Cache Bit                                                             
                                                                             
                                                                             
                   +---------------------------------------------------+     
                                   Data Cache                          
                   +-----------+------------+--------------------------+     
                   | Cache Bit | Buffer Bit |     Page attribute          
                   +-----------+------------+--------------------------+     
                                | not cached, not buffered |     
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下面我们来分析 __create_page_tables 函数:

         在 arch/arm/kernel/head.S 中:

00206:  .type __create_page_tables, %function
00207: __create_page_tables:
00208:  pgtbl r4    @ page table address
00209:
00210:  
00213:  mov r0, r4
00214:  mov r3, #0
00215:  add r6, r0, #0x4000
00216: 1: str r3, [r0], #4
00217:  str r3, [r0], #4
00218:  str r3, [r0], #4
00219:  str r3, [r0], #4
00220:  teq r0, r6
00221:  bne 1b
00222:
00223:  ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags
00224:
00225:  
00231:  mov r6, pc, lsr #20   @ start of kernel section
00232:  orr r3, r7, r6, lsl #20  @ flags + kernel base
00233:  str r3, [r4, r6, lsl #2]  @ identity mapping
00234:
00235:  
00239:  add r0, r4,  #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18 @ start of kernel
00240:  str r3, [r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18]!
00241:
00242:  ldr r6, =(_end - PAGE_OFFSET - 1) @ r6 = number of sections
00243:  mov r6, r6, lsr #20   @ needed for kernel minus 1
00244:
00245: 1: add r3, r3, #1 << 20
00246:  str r3, [r0, #4]!
00247:  subs r6, r6, #1
00248:  bgt 1b
00249:
00250:  
00253:  add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18
00254:  orr r6, r7, #PHYS_OFFSET
00255:  str r6, [r0]
       
        ...
       
00314: mov pc, lr
00315: .ltorg        
 
206, 207行: 函数声明
208行: 通过宏 pgtbl 将r4设置成页表的基地址(物理地址)
        宏pgtbl 在 arch/arm/kernel/head.S 中:
       
        00042: .macro pgtbl, rd
        00043: ldr \rd, =(__virt_to_phys(KERNEL_RAM_ADDR - 0x4000))
        00044: .endm

        可以看到,页表是位于 KERNEL_RAM_ADDR 下面 16k 的位置
        宏 __virt_to_phys 是在incude/asm-arm/memory.h 中:
       
        00125: #ifndef __virt_to_phys
        00126: #define __virt_to_phys(x) ((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)
        00127: #define __phys_to_virt(x) ((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)
        00128: #endif       
       
       
下面从213行 - 221行, 是将这16k 的页表清0.
213行: r0 = r4, 将页表基地址存在r0中
214行: 将 r3 置成0
215行: r6  = 页表基地址 + 16k, 可以看到这是页表的尾地址
216 - 221 行: 循环,从 r0 到 r6 将这16k页表用0填充.
     
223行: 获得proc_info_list的__cpu_mm_mmu_flags的值,并存储到 r7中. (宏PROCINFO_MM_MMUFLAGS是在arch/arm/kernel/asm-offset.c中定义)


231行: 通过pc值的高12位(右移20位),得到kernel的section,并存储到r6中.因为当前是通过运行时地址得到的kernel的section,因而是物理地址.
232行: r3 = r7 | (r6 << 20); flags + kernel base,得到页表中需要设置的值.
233行: 设置页表: mem[r4 + r6 * 4] = r3
        这里,因为页表的每一项是32 bits(4 bytes),所以要乘以4(<<2).
上面这三行,设置了kernel的第一个section(物理地址所在的page entry)的页表项

239, 240行: TEXTADDR是内核的起始虚拟地址(0xc0008000), 这两行是设置kernel起始虚拟地址的页表项(注意,这里设置的页表项和上面的231 - 233行设置的页表项是不同的 )
        执行完后,r0指向kernel的第2个section的虚拟地址所在的页表项.
                  
       
242行: 这一行计算kernel镜像的大小(bytes).
        _end 是在vmlinux.lds.S中162行定义的,标记kernel的结束位置(虚拟地址):
        00158         .bss : {
        00159  __bss_start = .; 
        00160  *(.bss)
        00161  *(COMMON)
        00162  _end = .;
        00163 }
 
        kernel的size =  _end - PAGE_OFFSET -1, 这里 减1的原因是因为 _end 是 location counter,它的地址是kernel镜像后面的一个byte的地址.

243行: 地址右移20位,计算出kernel有多少sections,并将结果存到r6中

245 - 248行: 这几行用来填充kernel所有section虚拟地址对应的页表项.

253行: 将r0设置为RAM第一兆虚拟地址的页表项地址(page entry)
254行: r7中存储的是mmu flags, 逻辑或上RAM的起始物理地址,得到RAM第一个MB页表项的值.
255行: 设置RAM的第一个MB虚拟地址的页表.
上面这三行是用来设置RAM中第一兆虚拟地址的页表. 之所以要设置这个页表项的原因是RAM的第一兆内存中可能存储着boot params.

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