李宇飛 嵇啟春 劉浩洋

（西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710055）

摘要： 引導(dǎo)加載程序是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)，它使得操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的后繼軟件開(kāi)發(fā)十分重要。為此，介紹了當(dāng)前嵌入式開(kāi)發(fā)中功能強(qiáng)大、穩(wěn)定可靠的引導(dǎo)加載程序U-Boot的目錄結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)流程及其移植的思路和引導(dǎo)內(nèi)核的方法；給出了移植Uboot-2010-06到ARM微處理器S3C2440上所需操作環(huán)境的搭建，具體代碼的修改，具體參數(shù)的設(shè)置，以及所需的操作命令等要點(diǎn)。最后將編譯生成的U-Boot.bin文件下載到ARM微處理器S3C2440上，測(cè)試顯示，U-Boot可以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求并能夠穩(wěn)定運(yùn)行，而且通過(guò)對(duì)其進(jìn)行正確的配置可以引導(dǎo)內(nèi)核。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； Bootloader； U-Boot； S3C2440； Linux

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2012）11-04-04

Analysis of transplant process of U-boot to platform based on mini2440

Li Yufei， Ji Qichun， Liu Haoyang

（Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， Shanxi 710055， China）

Abstract： Bootloader （boot loader） plays an important part in combining the operating system with hardware platform， and also is crucial for embedded system of software development. Directory structure， workflow， a porting thought and a booting kernel method of a powerful， stable U-Boot program in the development of the current embedded systems are proposed. The problems in transplanting uboot-2010-06 to S3C2440 are discussed， including particularly the environment establishment， the specific changes to the file， the specific settings to parameter and the demand of operation command. Finally the compiled U-Boot.bin will be downloaded to ARM microprocessor. The result shows that U-boot can reach the project request， operate steadily and boot the kernel successfully through the proper configuration.

Key words： embedded system； Bootloader； U-Boot； S3C2440； Linux

0 引言

在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，嵌入式Linux系統(tǒng)通常包括引導(dǎo)加載程序、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序四部分[1]。引導(dǎo)加載程序包括固化在固件（firm-ware）中的boot代碼（可選）和Bootloder。簡(jiǎn)言之，Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，它在系統(tǒng)上電時(shí)開(kāi)始執(zhí)行，初始化硬件設(shè)備、準(zhǔn)備好軟件環(huán)境，最后調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核[2]。由于Bootloader的實(shí)現(xiàn)非常依賴于具體的硬件，即使是基于同一種處理器構(gòu)建的不同開(kāi)發(fā)板，具有相同的CPU，它的外設(shè)（比如FLASH）也可能不同，所以不可能有一個(gè)通用的Bootloader來(lái)支持所有的CPU，而可能的是，讓一個(gè)Bootloader代碼支持多種不同的構(gòu)架和操作系統(tǒng)，并讓它有很好的可移植性。U-Boot就是支持多平臺(tái)多操作系統(tǒng)的一個(gè)杰出代表，移植U-Boot是為下一步引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)做準(zhǔn)備，但U-Boot移植完成后由于開(kāi)發(fā)途徑的不同還需要做些設(shè)置才能引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。本文重點(diǎn)是針對(duì)最小硬件系統(tǒng)的Bootloader移植的研究。

1 U-boot的概述及啟動(dòng)過(guò)程

1.1 U-Boot簡(jiǎn)介

U-Boot （universal boot loader）是德國(guó)DENX軟件工程中心開(kāi)發(fā)的一款遵循GPL條款的開(kāi)放源碼軟件產(chǎn)品，其對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上主流的操作系統(tǒng)，CPU都能提供良好的支持，除了支持Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)外，還支持NetBSD、VxWorkd、LynxOS等嵌入式操作系統(tǒng)，并且支持ARM、PowerPC、NIOS、XScale等處理器。U-Boot的程序框架清晰，功能強(qiáng)大，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)源碼，移植方便。這些特點(diǎn)是它被選擇移植到mini2440開(kāi)發(fā)板上的原因。

1.2 U-Boot的源碼結(jié)構(gòu)

本文主要是針對(duì)U-Boot-2010-06的分析與移植。其源碼可以在官方網(wǎng)站下載，解壓后可以得到它的全部代碼。

U-Boot-2010-06根目錄下共有29個(gè)子目錄，根據(jù)其作用可以分為開(kāi)發(fā)板類型相關(guān)、平臺(tái)相關(guān)、通用的函數(shù)、通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、文檔示例程序、工具等幾類。表1給出了U-Boot的主要目錄結(jié)構(gòu)[3]。

1.3 U-Boot的啟動(dòng)流程

由于本次移植采用的硬件平臺(tái)是友善之臂的mini2440開(kāi)發(fā)板，而U-boot-2010-06沒(méi)有提供基于S3C2440芯片的開(kāi)發(fā)板支持，我們可以通過(guò)修改與其結(jié)構(gòu)相近的smdk2410的配置文件和相關(guān)源代碼，去實(shí)現(xiàn)U-Boot對(duì)s3c2440的支持[4]。Bootloader的啟動(dòng)過(guò)程可以分為單階段和多階段。從固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上啟動(dòng)的Bootloader是兩個(gè)階段的啟動(dòng)過(guò)程。第一階段用到的文件為cpu/xxx/start.S和board/xxx/lowlevel_init.S文件中，這兩個(gè)文件用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成；第二階段的代碼通常放在lib_xxx/board.c文件中，用C語(yǔ)言寫(xiě)成，主要任務(wù)是初始化本階段用到的硬件、檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射、將內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)鏡像從Flash上讀到RAM空間中并為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)最終啟動(dòng)內(nèi)核。

表1U-Boot主要目錄說(shuō)明

[[U-Boot目錄＼&功能說(shuō)明＼&board＼&一些已經(jīng)支持的開(kāi)發(fā)板相關(guān)文件＼&common＼&與處理器體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的通用代碼＼&cpu＼&與處理器相關(guān)的文件＼&disk＼&Disk驅(qū)動(dòng)分區(qū)相關(guān)信息代碼＼&doc＼&U-Boot的說(shuō)明文檔＼&drivers＼&通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，如：網(wǎng)卡、FLASH、串口、USB總線等＼&fs＼&支持文件系統(tǒng)的文件，如：cramfs、fat、fdos、jffs2等＼&include＼&U-Boot頭文件，還有各硬件平臺(tái)的匯編文件，系統(tǒng)配置文件＼&Lib_xxx＼&處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)文件，如：lib_arm包含的是ARM體系結(jié)構(gòu)＼&net ＼&與網(wǎng)絡(luò)功能相關(guān)的文件，如：bootp 、nfs、tftp等＼&post＼&上電自檢文件目錄＼&tools＼&用于創(chuàng)建U-Boot、S-Record和Bin鏡像文件的工具＼&]]

[系統(tǒng)復(fù)位轉(zhuǎn)入U(xiǎn)-BOOT

的stage1入口點(diǎn)][設(shè)置異常向量][設(shè)置CPU的時(shí)鐘、速度、

頻率及終端控制寄存][初始化內(nèi)存控制器][拷貝U-BOOT的stage2到代碼到RAM空間][設(shè)置堆棧、初始化數(shù)據(jù)段][本階段硬件設(shè)備初始化] [Stage1部分][跳轉(zhuǎn)到stage2的

C入口點(diǎn)][初始化FLASH設(shè)備][初始化NAND、顯示、

網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備][初始化系統(tǒng)內(nèi)存][將kernel和根文件系統(tǒng)映射從FLASH讀到ARM中][設(shè)定內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)和調(diào)用內(nèi)核][本階段硬件設(shè)備初始化] [Stage2部分]

圖1U-Boot的啟動(dòng)流程圖

2 U-Boot的移植

在移植U-Boot之前首先要建立開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后根據(jù)具體的應(yīng)用平臺(tái)的要求生成相應(yīng)的U-Boot.bin二進(jìn)制文件，再將U-Boot.bin下載到目標(biāo)板上，本文采用的是友善之臂的mini2440開(kāi)發(fā)板，此開(kāi)發(fā)板采用405MHZ的ARM920T內(nèi)核的處理器S3C2440，下面是具體的移植過(guò)程。

2.1 移植環(huán)境

2.1.1 所需要的軟件環(huán)境

軟件環(huán)境為：Vm-ware6.0、Ubuntu/Redhat、TFTP Server、J-Link、Samba服務(wù)器、arm-linux-gcc-4.3.2.tgz、U-Boot-2010.

06.tar.gz2等。

2.1.2 Windows所需開(kāi)發(fā)環(huán)境

⑴ 安裝TFTP Server，此軟件用于開(kāi)發(fā)板和Windows的交互，通過(guò)它可以把編譯好的U-Boot的二進(jìn)制文件和內(nèi)核二進(jìn)制文件燒錄到開(kāi)發(fā)板上。

⑵ 使用超級(jí)終端通過(guò)串口顯示U-Boot的運(yùn)作信息。

⑶ 安裝J-Link，此軟件的作用是把生成U-Boot.bin燒寫(xiě)到目標(biāo)板上。

⑷ 安裝Vm-ware6.0用于安裝Linux操作系統(tǒng)。

2.1.3 Linux所需開(kāi)發(fā)環(huán)境

⑴ 建立Linux和Windows的交互平臺(tái)Samba服務(wù)。使得Linux和Windows之間可以通過(guò)一個(gè)共享目錄互相傳送文件。

⑵ 交叉編譯環(huán)境的搭建。將arm-linux-gcc-4.3.2.tgz通過(guò)Samba服務(wù)器傳送到Linux內(nèi)，然后解壓，輸入命令：

#tar -xvfarm-Linux-gcc-4.3.2.tgz -C /

運(yùn)行成功后會(huì)在usr/local/arm下生成目錄4.3.2。在根目錄下輸入命令：

#gedit /etc/environment

修改environment，在PATH中添加“/usr/local/arm/4.3.2/”，指定arm-linux-gcc編譯器的位置。添加完后保存退出，在根目錄鍵入命令：#su或者重新啟動(dòng)Linux操作系統(tǒng)，讓新增加的配置生效。

⑶ 解壓U-Boot-2010.06.tar.gz2。方法和解壓arm-linux-

gcc-4.3.2.tgz類似。

2.2 移植文件操作

移植U-Boot除了依賴CPU的體系結(jié)構(gòu)外，還依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置，只需選擇與自己板子最為相近的作為基礎(chǔ)。與CPU相關(guān)的文件位于U-Boot根目錄下CPU/arm920t目錄及子目錄S3C24x0中。與Board相關(guān)的文件位于U-Boot根目錄下的board/sbc2410x目錄下。該版本U-Boot并不支持本文使用的ARM微處理器S3C2440，但是對(duì)于同一個(gè)系列的另一款微處理器S3C2410卻有很完善的支持。兩款芯片使用相同的ARM核，片內(nèi)集成的功能以及寄存器的使用都很接近，所以U-Boot的移植工作在S3C2410和對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)板SMDK2410的基礎(chǔ)上展開(kāi)；并且隨著U-Boot版本的不斷升級(jí)許多目錄的內(nèi)容做了很多改動(dòng)，例如U-Boot-2010-06和以前的版本就有變化，它的/cpu/arm920t下的很多內(nèi)容移放到了drivers目錄下，因此/drivers目錄下也需要修改，對(duì)此就不作詳細(xì)介紹，在此我們重點(diǎn)介紹移植的思路[5]。

⑴ 進(jìn)入u-boot的根目錄，并修改Makefile文件。

修改Makefile的命令如下：

$ cd u-boot-2010.06/

$ gedit Makefile

首先搜索CROSS_COMPILE，將CROSS_COMPILE=？改為交叉編譯工具鏈CROSS_COMPILE ？= arm-linux-，然后搜索smdk2410，并仿照它建立自己開(kāi)發(fā)板的配置選項(xiàng)，在smdk2410_config： unconfig @$（MKCONFIG） $（@：_config=） arm arm920t s3c2410NULL s3c24x0下添加mini2440_config： unconfig @$（MKCONFIG） $（@：_config=） arm arm920tmini2440 jason s3c24x0然后保存。

說(shuō)明：

arm：CPU的架構(gòu)（ARCH）。

arm920t：CPU的類型。

mini2440：對(duì)應(yīng)在board目錄下建立新的開(kāi)發(fā)板項(xiàng)目的目錄。

jason：新開(kāi)發(fā)板項(xiàng)目目錄的上級(jí)目錄，如直接在board下建立新的開(kāi)發(fā)板項(xiàng)目的目錄，則這里就為NULL。

s3c24x0：CPU型號(hào)。

注意：編譯選項(xiàng)格式的第二行在@前面要用Tab鍵開(kāi)始，否則編譯會(huì)出錯(cuò)。

⑵ 建立mini2440開(kāi)發(fā)板的板子目錄文件。

① 復(fù)制smdk2410的板子目錄文件為mini2440，命令如下：

$ mkdir -p board/jason

$ cd board/jason/

$ cp -rf ../samsung/smdk2410/ mini2440

② 重命名smdk2410.c為mini2440.c并修改對(duì)應(yīng)的Makefile文件：

$ mv smdk2410.c mini2440.c

COBJS ：=mini2440.o flash.o

SOBJS ：=lowlevel_init.o

⑶ 在根目錄下定位到include/configs，建立mini2440開(kāi)發(fā)板的配置頭文件。

修改頭文件smdk2410.h。該文件的作用是對(duì)CPU內(nèi)部寄存器相對(duì)位置安排和命名寄存器的名稱。將smdk2410.h復(fù)制并粘貼到當(dāng)前目錄下，將其重命名成mini2440.h，命令如下：

$ cp include/configs/smdk2410.h include/configs/mini2440.h

⑷ 修改開(kāi)發(fā)板的終端中命令行提示符。

用gedit打開(kāi)include/configs/mini2440.h頭文件，定位到117行，其中的“SMDK2410#”就是開(kāi)發(fā)板在終端顯示的提示符，現(xiàn)在將其改為“[u-boot@MINI2440]#，如下所示：

#define CONFIG_SYS_PROMPT “[u-boot@MINI2440]#”

/*Monitor Command Prompt */

⑸ 注釋掉不需要的LED代碼。

① $ gedit arch/arm/cpu/arm920t/start.S

下面這兩行是AT91RM9200DK開(kāi)發(fā)板的LED初始化，注釋掉。

// bl coloured_LED_init

// bl red_LED_on

② $ gedit arch/arm/lib/board.c

刪除不需要的指示進(jìn)度LED功能。

#if 0

/************************************************************************/

* Coloured LED functionality

……

void blue_LED_off（void）__attribute__（（weak，alias（"__blue_LED_off"）））；

#endif

⑹ 在include/configs/mini2440.h頭文件中添加宏定義如下：

#define CONFIG_S3C2440 1 /* specifically a SAMSUNG

S3C2440 SoC */

#define CONFIG_MINI2440 1 /* FriendlyARM Mini2440 */

⑺ 修改lowlevel_init.S 文件。

注：lowlevel_init.S文件是開(kāi)發(fā)板相關(guān)的，這表示如果外接的設(shè)備不一樣，可以修改lowlevel_init.S文件中的相關(guān)宏。

部分修改代碼如下：

#if defined（CONFIG_S3C2440）

#define Trp 0x2 /* 4clk */

#define REFCNT 1012

#else

#define Trp 0x0 /* 2clk */

#define REFCNT 1113

……

⑻ 增加對(duì)S3C2440一些寄存器的支持，添加中斷禁止部分和時(shí)鐘設(shè)置部分。

① 修改cpu/arm920t中的start.S文件，U-Boot的階段1代碼通常放在此文件中。

中斷禁止部分添加代碼如下：

# if defined（CONFIG_S3C2440） //添加s3c2440的中斷禁止部分

ldr r1， =0x7fff //根據(jù)2440芯片手冊(cè)，INTSUBMSK寄存器有15位可用

ldr r0， =INTSUBMSK

str r1， [r0]

# endif

由于u-boot-2010-06并不支持S3C2440，所以要添加s3c2440的時(shí)鐘部分使其工作在405MHz：

# if defined（CONFIG_S3C2440） //添加s3c2440的時(shí)鐘部分

#define MPLLCON 0x4C000004 //系統(tǒng)主頻配置寄存器基地址

#define UPLLCON 0x4C000008 //USB時(shí)鐘頻率配置寄存器基地址

ldr r0， =CLKDIVN //設(shè)置分頻系數(shù)FCLK：HCLK：PCLK=1：4：8

mov r1， #5

str r1， [r0]

ldr r0， =MPLLCON //設(shè)置系統(tǒng)主頻為405MHz

ldr r1， =0x7F021 //這個(gè)值參考芯片手冊(cè)“PLL VALUE SELECTION

TABLE”部分

str r1， [r0]

ldr r0，=UPLLCON //設(shè)置USB時(shí)鐘頻率為48MHz

ldr r1，=0x38022 //這個(gè)值參考芯片手冊(cè)“PLL VALUE SELECTION

TABLE”部分

str r1，[r0]

# else

……

② 修改與Board相關(guān)的文件mini2440.c，該文件主要完成對(duì)GPIO和PLL的配置。

修改代碼如下：

#define FCLK_SPEED 2 //設(shè)置默認(rèn)等于2，即下面代碼部分有效

#elif FCLK_SPEED==2/* Fout=405MHz */

#define M_MDIV 0x7F //這三個(gè)值根據(jù)S3C2440芯片手冊(cè)“PLL

VALUE SELECTION TABLE”部分進(jìn)行設(shè)置

#define M_PDIV 0x2

#define M_SDIV 0x1

#define USB_CLOCK 2//設(shè)置默認(rèn)等于2，即下面代碼部分有效

#elif USB_CLOCK==2/* Fout=48MHz */

#define U_M_MDIV 0x38//這三個(gè)值根據(jù)S3C2440芯片手冊(cè)

“PLL VALUE SELECTION TABLE”部分進(jìn)行設(shè)置

#define U_M_PDIV 0x2

#define U_M_SDIV 0x2

③ 修改cup/arm920t/s3c24x0/speed.c文件，根據(jù)設(shè)置的分頻系數(shù)FCLK：HCLK：PCLK=1：4：8修改獲取時(shí)鐘頻率的函數(shù)。由于s3c2410和s3c2440的MPLL、UPLL計(jì)算公式不一樣，所以修改get_PLLCLK和函數(shù)加入以下代碼：

#if defined（CONFIG_S3C2440）

if（pllreg == MPLL）

{ //參考S3C2440芯片手冊(cè)上的公式：PLL=（2*m*Fin）/（p*2s）

return（（CONFIG_SYS_CLK_FREQ*m*2）/（p<

}

#endif

……

#if defined（CONFIG_S3C2440）

return（get_FCLK（）/4）；

#endif

⑼ 借用S3C2410的代碼修改s3c24x0_cpu.h、s3c24x0.h、timer.c。

① 修改s3c24x0_cpu.h

在這個(gè)文件中添加對(duì)S3C2440芯片的支持。例如：

將defined （CONFIG_S3C2410）改成defined （CONFIG_S3C2410）||（defined CONFIG_S3C2440）。

② 修改頭文件s3c24x0.h

該文件的作用是對(duì)CPU內(nèi)部寄存器相對(duì)位置安排和命名寄存器的名稱，具體修改可參照s3c2440數(shù)據(jù)手冊(cè)，例如：

使用命令$ gedit arch/arm/include/asm/arch-s3c24x0/s3c24x0.h分別定位到81、91、95、106、144、400行，將#ifdef CONFIG_S3C2410改為#if defined（CONFIG_S3C2410）||defined（CONFIG_S3C2440）。

然后在struct s3c24x0_clock_power結(jié)構(gòu)體中加入2440 的NAND FLASH 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)成員CAMDIVN定義，具體代碼為：

#if defined （CONFIG_S3C2440）

u32 CAMDIVN； //for mini2440

#endif

注：這個(gè)結(jié)構(gòu)是用來(lái)封裝時(shí)鐘寄存器的，要在其中增加一項(xiàng)CAMDIVN寄存器是2410所沒(méi)有的，而2440在配置時(shí)鐘的時(shí)候又必須用到，看名字我們就知道是用來(lái)配置CAMERA時(shí)鐘的，即用來(lái)配置攝像頭的時(shí)鐘的。

③ 修改timer.c

在defined（CONFIG_SMDK2410） || ＼ 下添加defined（CONFIG_MINI2440） || ＼。

3 U-boot的生成、測(cè)試

3.1 目標(biāo)文件的生成

現(xiàn)在編譯u-boot，在根目錄下會(huì)生成一個(gè)u-boot.bin文件。我們利用mini2440原有的supervivi把u-boot.bin下載到RAM中運(yùn)行測(cè)試（注意：我們使用supervivi進(jìn)行下載時(shí)已經(jīng)對(duì)CPU、RAM進(jìn)行了初始化，所以我們?cè)趗-boot中要屏蔽掉對(duì)CPU、RAM的初始化），用gedit打開(kāi)cpu/arm920t/start.S，定位到如下代碼：

//#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT

//bl cpu_init_crit

//#endif

3.2 測(cè)試編譯

以root用戶登陸Linux操作系統(tǒng)，在U-Boot主目錄下依次運(yùn)行以下命令：

$ make distclean

$ make mini2440_config

Configuring for mini2440 board...

$ make

編譯成功會(huì)生成一個(gè)二進(jìn)制文件u-boot.bin，通過(guò)特制的Flash燒寫(xiě)程序J-Link將二進(jìn)制文件U-boot.bin燒入Flash的零地址。燒寫(xiě)成功后，拔掉J-Link接口復(fù)位開(kāi)發(fā)板。

從超級(jí)終端輸出如下信息：

u-Boot 2010.06 （Aug 16 2012 -14：13：18）

DRAM： 64MB

Flash：512KB

In： serial

Out：serial

Err：serial

Net：cs8900-0

[u-boot@MINI2440]#

在超級(jí)終端顯示的信息表明，CPU和串口已經(jīng)正常工作，能進(jìn)入U(xiǎn)-Boot界面。接下來(lái)我們用命令測(cè)試Flash、SDRAM、網(wǎng)絡(luò)等。測(cè)試結(jié)果表明，U-Boot移植成功并且可以在系統(tǒng)板上穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

U-Boot作為目前使用最廣泛的嵌入式Bootloader，一直都是嵌入式系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。針對(duì)S3C2440的特點(diǎn)，我們?cè)敿?xì)介紹了U-boot的移植過(guò)程。通過(guò)上述方法移植的U-Boot目前能穩(wěn)定地運(yùn)行在開(kāi)發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)了串口與PC機(jī)的通信，查看和修改內(nèi)存，以及引導(dǎo)Linux內(nèi)核等的功能，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)提供了良好的環(huán)境。

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