計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)

前言

“計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系的一門硬件核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。從課程地位來說，它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用?！坝?jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)”重點(diǎn)講授單處理機(jī)系統(tǒng)的組織和工作原理，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充講授并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。課程教學(xué)具有知識(shí)面廣、內(nèi)容多、難度大、更新快等特點(diǎn)。另一方面，體現(xiàn)課程特點(diǎn)的教材對(duì)于提高教學(xué)水平和培養(yǎng)人才的質(zhì)量起著十分重要的作用。作者認(rèn)為，一本好的“計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)”教材主要應(yīng)具備下述特點(diǎn)：(1)基礎(chǔ)性強(qiáng)。知識(shí)結(jié)構(gòu)合理，為學(xué)生建立終生知識(shí)體系打下良好基礎(chǔ)。(2)系統(tǒng)性強(qiáng)，知識(shí)模塊彼此交互，使學(xué)生能清晰地建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。(3)時(shí)代性強(qiáng)，及時(shí)反映前沿方向，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的需要。(4)實(shí)踐性強(qiáng)，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，注重學(xué)生的智力開發(fā)和能力培養(yǎng)。(5)應(yīng)用性強(qiáng)，有較廣的適應(yīng)面，以適應(yīng)學(xué)生在各類計(jì)算機(jī)上從事開發(fā)應(yīng)用的需要。(6)啟發(fā)性強(qiáng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。按CCC2005教學(xué)計(jì)劃，本課程的先修課是“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”。作者根據(jù)多年從事計(jì)算機(jī)硬件課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，從傳授知識(shí)和培養(yǎng)能力的目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合本課程教學(xué)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和要點(diǎn)，在這次新版教材編寫中又進(jìn)行了課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，使文字教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題庫、試題庫、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)綜合配套，力求形成“理論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)”三個(gè)過程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。理論教學(xué)計(jì)劃64學(xué)時(shí)。授課學(xué)時(shí)建議：第1章3(學(xué)時(shí)，下同)，第2章9，第3章9，第4章4，第5章12，第6章4，第7章4，第8章6，第9章4，第10章4，第11章5。實(shí)驗(yàn)教學(xué)16學(xué)時(shí)，與理論教學(xué)同步進(jìn)行；另外，可在小學(xué)期集中安排2周時(shí)間的課程綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐。倪輝、覃健誠、張杰、靳秀國、楊秦、陳楠、馮一兵、祁之力、王軍德、張振華、劉俊榮、李嬌嬌、宗華麗、王曉梅、胡文發(fā)、李貞、王坤山、肖煒、崔洪浚、白媛、郝靜、吳璇、楊光輝、楊孟柯等參與了第4版文字教材、CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題庫、試題庫、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)等的編寫和研制工作，限于版面，未能在封面上一一署名。

內(nèi)容概要

　　《普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材·計(jì)算機(jī)系列教材·計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》重點(diǎn)講授計(jì)算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理。在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展講授并行計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。書中內(nèi)容分為13章：（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論；（2）運(yùn)算方法和運(yùn)算器；（3）內(nèi)部存儲(chǔ)器；（4）指令系統(tǒng)；（5）中央處理機(jī)；（6）總線系統(tǒng)；（7）外圍設(shè)備；（8）輸入/輸出系統(tǒng)；（9）操作系統(tǒng)支持；（10）安騰高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)；（11）并行體系結(jié)構(gòu)； （12）教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；（13）課程綜合設(shè)計(jì)。在附錄A中介紹了配套光盤與教學(xué)設(shè)備?！　　镀胀ǜ叩冉逃笆晃濉眹壹?jí)規(guī)劃教材·計(jì)算機(jī)系列教材·計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》是作者對(duì)“計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)”課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行綜合改革的具體成果?！　　镀胀ǜ叩冉逃笆晃濉眹壹?jí)規(guī)劃教材·計(jì)算機(jī)系列教材·計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》特色：基礎(chǔ)性、時(shí)代性、系統(tǒng)性、實(shí)踐性、實(shí)用性、啟發(fā)性融為一體，文字教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題答案庫、自測試題庫、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)綜合配套，形成“理論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)”三個(gè)過程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。《普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材·計(jì)算機(jī)系列教材·計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》文字流暢、通俗易懂，有廣泛的適應(yīng)面，可作為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)系的教材，也可作為成人自學(xué)考試和全國計(jì)算機(jī)等級(jí)考試NCRE（四級(jí)）用書。

作者簡介

白中英，甘肅省永靖縣人。現(xiàn)任北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。在工程和科學(xué)研究中，“622小型通用計(jì)算機(jī)”獲1978年全國科學(xué)大會(huì)重大成果獎(jiǎng)，1項(xiàng)成果獲國家級(jí)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，1項(xiàng)成果獲全國發(fā)明展銀質(zhì)獎(jiǎng)，5項(xiàng)成果獲部級(jí)科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)，1項(xiàng)成果獲國家發(fā)明專利。近幾年主持完成國家863項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目2項(xiàng)。在教育和教學(xué)研究中，《計(jì)算機(jī)組成原理教程》獲1992年國家級(jí)優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng)，“CNCC網(wǎng)絡(luò)型計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)”等4項(xiàng)成果分別獲1989年、1993年、1997年，2005年國家級(jí)教學(xué)成果一、二等獎(jiǎng)。6項(xiàng)成果獲省部級(jí)教學(xué)成果、教材一等獎(jiǎng)。2003年獲首屆北京市“教學(xué)名師獎(jiǎng)”。先后出版著作21部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文36篇。研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人工智能。

書籍目錄

第1章　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1　計(jì)算機(jī)的分類1.2　計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史1.2.1　計(jì)算機(jī)的五代變化1.2.2　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展1.2.3　微處理器的發(fā)展1.2.4　計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3　計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1　硬件組成要素1.3.2　運(yùn)算器1.3.3　存儲(chǔ)器1.3.4　控制器1.3.5　適配器與輸入輸出設(shè)備1.4　計(jì)算機(jī)的軟件1.4.1　軟件的組成與分類1.4.2　軟件的發(fā)展演變1.5　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)　1.5.1　多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.5.2　軟件與硬件的邏輯等價(jià)性　1.5.3　三個(gè)常用術(shù)語的物理概念　1.5.4　計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類本章小結(jié)習(xí)題　第2章　運(yùn)算方法和運(yùn)算器2.1　數(shù)據(jù)與文字的表示方法2.1.1　數(shù)據(jù)格式2.1.2　數(shù)的機(jī)器碼表示2.1.3　字符與字符串的表示方法2.1.4　漢字的表示方法2.1.5　校驗(yàn)碼2.2　定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算2.2.1　補(bǔ)碼加法2.2.2　補(bǔ)碼減法　2.2.3　溢出概念與檢測方法2.2.4　基本的二進(jìn)制加法減法器2.3　定點(diǎn)乘法運(yùn)算2.3.1　原碼并行乘法2.3.2　直接補(bǔ)碼并行乘法2.4　定點(diǎn)除法運(yùn)算2.4.1　原碼除法算法原理2.4.2　并行除法器2.5　定點(diǎn)運(yùn)算器的組成　2.5.1　邏輯運(yùn)算2.5.2　多功能算術(shù)邏輯運(yùn)算單元2.5.3　內(nèi)部總線　2.5.4　定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)2.6　浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器　2.6.1　浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算2.6.2　浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算2.6.3　浮點(diǎn)運(yùn)算流水線2.6.4　浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)例本章小結(jié)習(xí)題第3章　內(nèi)部存儲(chǔ)器3.1　存儲(chǔ)器概述3.1.1　存儲(chǔ)器的分類3.1.2　存儲(chǔ)器的分級(jí)3.1.3　主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)3.2　SRAM存儲(chǔ)器3.2.1　基本的靜態(tài)存儲(chǔ)元陣列　3.2.2　基本的SRAM邏輯結(jié)構(gòu)3.2.3　讀寫周期波形圖3.3　DRAM存儲(chǔ)器3.3.1　DRAM存儲(chǔ)元的記憶原理3.3.2　DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)3.3.3　讀寫周期、刷新周期3.3.4　存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充3.3.5　高級(jí)的DRAM結(jié)構(gòu)3.3.6　DRAM主存讀寫的正確性校驗(yàn)3.4　只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器3.4.1　只讀存儲(chǔ)器ROM3.4.2　FLASH存儲(chǔ)器3.5　并行存儲(chǔ)器3.5.1　雙端口存儲(chǔ)器3.5.2　多模塊交叉存儲(chǔ)器3.6　cache存儲(chǔ)器3.6.1　cache基本原理3.6.2　主存與cache的地址映射3.6.3　替換策略3.6.4　cache的寫操作策略3.6.5　Pentium4的cache組織本章小結(jié)習(xí)題第4章　指令系統(tǒng)4.1　指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.1.1　指令系統(tǒng)的發(fā)展4.1.2　對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3　低級(jí)語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系4.2　指令格式4.2.1　操作碼4.2.2　地址碼4.2.3　指令字長度4.2.4　指令助記符4.2.5　指令格式舉例4.3　操作數(shù)類型4.3.1　一般的數(shù)據(jù)類型4.3.2　Pentium數(shù)據(jù)類型4.3.3　PowerPC數(shù)據(jù)類型4.4　指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1　指令的尋址方式4.4.2　操作數(shù)基本尋址方式4.4.3　尋址方式舉例4.5　典型指令4.5.1　指令的分類4.5.2　基本指令系統(tǒng)的操作4.5.3　精簡指令系統(tǒng)本章小結(jié)習(xí)題第5章　中央處理機(jī)5.1　CPU的功能和組成5.1.1　CPU的功能5.1.2　CPU的基本組成5.1.3　CPU中的主要寄存器5.1.4　操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器5.2　指令周期5.2.1　指令周期的基本概念5.2.2　MOV指令的指令周期5.2.3　LAD指令的指令周期5.2.4　ADD指令的指令周期5.2.5　STO指令的指令周期/5.2.6　JMP指令的指令周期5.2.7　用方框圖語言表示指令周期5.3　時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式5.3.1　時(shí)序信號(hào)的作用和體制5.3.2　時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器5.3.3　控制方式5.4　微程序控制器5.4.1　微程序控制原理5.4.2　微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.5　硬連線控制器5.6　傳統(tǒng)CPU5.6.1　Intel8088CPU5.6.2　IBM370系列CPU5.7　流水CPU5.7.1　流水CPU的結(jié)構(gòu)5.7.2　流水線中的主要問題5.7.3　奔騰CPU5.8　RISCCPU5.8.1　RISCCPU的特點(diǎn)5.8.2　RISCCPU實(shí)例5.9　多媒體CPU5.9.1　多媒體技術(shù)的主要問題5.9.2　MMX技術(shù)本章小結(jié)習(xí)題第6章　總線系統(tǒng)6.1　總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)6.1.1　總線的基本概念6.1.2　總線的連接方式6.1.3　總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.2　總線接口6.2.1　信息傳送方式6.2.2　總線接口的基本概念6.3　總線的仲裁6.3.1　集中式仲裁6.3.2　分布式仲裁6.4　總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式6.4.1　總線的定時(shí)6.4.2　總線數(shù)據(jù)傳送模式6.5　HOST總線和PCI總線6.5.1　多總線結(jié)構(gòu)6.5.2　PCI總線信號(hào)6.5.3　總線周期類型6.5.4　總線周期操作6.5.5　總線仲裁6.6　InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)6.6.1　InfiniBand的體系結(jié)構(gòu)6.6.2　InfiniBand的通信協(xié)議本章小結(jié)習(xí)題第7章　外圍設(shè)備7.1　外圍設(shè)備概述7.1.1　外圍設(shè)備的一般功能7.1.2　外圍設(shè)備的分類7.2　磁盤存儲(chǔ)沒備7.2.1　磁記錄原理7.2.2　磁盤的組成和分類7.2.3　磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器7.2.4　磁盤上信息的分布7.2.5　磁盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)7.3　磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展7.3.1　磁盤cache7.3.2　磁盤陣列RAID7.3.3　可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備7.4　磁帶存儲(chǔ)設(shè)備7.5　光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備7.5.1　光盤存儲(chǔ)設(shè)備7.5.2　磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備7.6　顯示設(shè)備7.6.1　顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念7.6.2　字符罔形顯示器7.6.3　圖像顯示設(shè)備7.6.4　VESA顯示標(biāo)準(zhǔn)7.7　輸入設(shè)備和打印設(shè)備7.7.1　輸入設(shè)備7.7.2　打印設(shè)備本章小結(jié)習(xí)題第8章　輸入輸出系統(tǒng)8.1　外圍設(shè)備的速度分級(jí)與信息交換方式8.1.1　外圍設(shè)備的速度分級(jí)8.1.2　信息交換方式8.2　程序查詢方式8.3　程序中斷方式8.3.1　中斷的基本概念8.3.2　程序中斷方式的基本IO接口8.3.3　單級(jí)中斷和多級(jí)中斷8.3.4　中斷控制器8.3.5　Pentium中斷機(jī)制8.4　DMA方式8.4.1　DMA的基本概念8.4.2　DMA傳送方式8.4.3　基本的DMA控制器8.4.4　選擇型和多路型DMA控制器8.5　通道方式8.5.1　通道的功能8.5.2　通道的類型8.5.3　通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展8.6　通用IO標(biāo)準(zhǔn)接口8.6.1　并行IO標(biāo)準(zhǔn)接口SCSl8.6.2　串行IO標(biāo)準(zhǔn)接口IEEE1394本章小結(jié)習(xí)題第9章　操作系統(tǒng)支持9.1　操作系統(tǒng)概述9.1.1　操作系統(tǒng)的概念9.1.2　操作系統(tǒng)的功能9.1.3　操作系統(tǒng)的特性及其需要解決的問題9.1.4　操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境9.2　調(diào)度9.2.1　進(jìn)程9.2.2　調(diào)度的層次9.2.3　處理機(jī)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)9.3　存儲(chǔ)管理9.3.1　分區(qū)式存儲(chǔ)管理9.3.2　交換技術(shù)和分布技術(shù)9.4　虛擬存儲(chǔ)器9.4.1　虛擬存儲(chǔ)器的基本概念9.4.2　頁式虛擬存儲(chǔ)器9.4.3　段式虛擬存儲(chǔ)器和段頁式虛擬存儲(chǔ)器|9.4.4　虛存的替換算法9.5　存儲(chǔ)保護(hù)9.5.1　存儲(chǔ)區(qū)域保護(hù)9.5.2　訪問方式保護(hù)9.6　奔騰系列機(jī)的虛存組織9.6.1　存儲(chǔ)器模型9.6.2　虛地址模式9.6.3　分頁模式下的地址轉(zhuǎn)換本章小結(jié)習(xí)題第10章　安騰高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)10.1　高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變10.1.1　IA體系結(jié)構(gòu)的歷史演變10.1.2　英特爾64位處理機(jī)的兩種體系結(jié)構(gòu)10.2　安騰體系結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思想10.3　安騰指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10.3.1　執(zhí)行單元與指令類型10.3.2　安騰寄存器結(jié)構(gòu)10.3.3　安騰指令格式10.3.4　安騰匯編語言格式10.4　指令級(jí)并行機(jī)制10.4.1　推斷執(zhí)行技術(shù)10.4.2　推測技術(shù)10.5　雙核安騰處理機(jī)的組成10.5.1　雙核安騰處理機(jī)的基本特性10.5.2　雙核安騰處理機(jī)的組織結(jié)構(gòu)本章小結(jié)習(xí)題第11章　并行體系結(jié)構(gòu)11.1　體系結(jié)構(gòu)中的并行性11.1.1　并行性的概念11.1.2　提高并行性的技術(shù)途徑11.1.3　單處理機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展第12章　教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第13章　課程綜合設(shè)計(jì)附錄A　配套光盤與教學(xué)設(shè)備參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.3 計(jì)算機(jī)的硬件1.3.5 適配器與輸入輸出設(shè)備理想的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備應(yīng)該是“會(huì)看”和“會(huì)聽”，即能夠把人們用文字或語言所表達(dá)的問題直接送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，但是現(xiàn)在這種理想的輸入設(shè)備還未大規(guī)模投入應(yīng)用。目前常用的輸入設(shè)備是鍵盤、鼠標(biāo)器、數(shù)字掃描儀以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。它們的作用是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式。輸出設(shè)備的作用是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式。理想的輸出設(shè)備應(yīng)該是“會(huì)寫”和“會(huì)講”。“會(huì)寫”已經(jīng)做到，如目前廣為使用的激光印字機(jī)、繪圖儀、CRT顯示器等。這些設(shè)備不僅能輸出文字符號(hào)，而且還能畫圖作曲線。至于“會(huì)講”即輸出語言的設(shè)備，目前也有高級(jí)產(chǎn)品問世。計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。這些外圍設(shè)備有高速的也有低速的，有機(jī)電結(jié)構(gòu)的，也有全電子式的。由于種類繁多且速度各異，因而它們不是直接地同高速工作的主機(jī)相連接，而是通過適配器部件與主機(jī)相聯(lián)系。適配器的作用相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)換器。它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息。一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有各種類型的外圍設(shè)備，因而有各種類型的適配器，它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作。除了上述各部件外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。以上是我們對(duì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)硬件組成概貌的了解，其目的在于使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)的整體先有一個(gè)粗略的印象，為在講授后面各章時(shí)提供一些方便。

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《計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)(第4版·立體化教材)》由清華大學(xué)出版社出版。

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