【FPGA零基础学习之旅#17】搭建串口收发与储存双口RAM系统

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🎉 目录-串口收发与储存双口RAM系统

  • 一、效果演示
  • 二、基础知识
    • 2.1 实现目标
    • 2.2 所需基础模块
  • 三、系统分析
  • 四、代码编写
    • 4.1 控制模块
    • 4.2 顶层模块
  • 五、仿真测试激励文件
    • 5.1 key_model
    • 5.2 testbench编写
    • 5.3 仿真结果
  • 六、板级验证

遇见未来

一、效果演示

🥝输入数据:
输入

🥝输出数据:
输出

🥝串口助手分析:
输出数据
按下第一次按键,FPGA开始连续发送数据,按下第二次按键,FPGA停止发送数据。

二、基础知识

2.1 实现目标

使用按键消抖串口发送与接收模块,以及双端口RAM模块实现串口发送数据到FPGA中,FPGA接收到数据后将数据存储在双口RAM中,当按下按键时FPGA将RAM中存储的数据再通过串口发送出去,再次按下按键后,FPGA停止发送数据。

2.2 所需基础模块

相关模块学习文章:
🥝【FPGA零基础学习之旅#10】按键消抖模块设计与验证(一段式状态机实现);
🥝【FPGA零基础学习之旅#13】串口发送模块设计与验证;
🥝【FPGA零基础学习之旅#14】串口发送字符串;
🥝【FPGA零基础学习之旅#15】串口接收模块设计与验证(工业环境);
🥝【FPGA零基础学习之旅#16】嵌入式块RAM-双口ram的使用。

三、系统分析

参考小梅哥FPGA设计的系统框图:
sysy
通过串口发送数据到FPGA中,FPGA接收到数据后将数据存储在双口RAM一段连续空间中。当需要时,按下按键S0,则FPGA将RAM中存储的数据通过串口发送出去;再次按下S0,则停止数据发送。

进行功能划分:串口接收模块按键消抖模块RAM模块串口发送模块以及控制模块

在此给出所需使用的模块代码:

按键消抖模块

//
//模块:按键消抖模块
//key_state:输出消抖之后按键的状态
//key_flag:按键消抖结束时产生一个时钟周期的高电平脉冲
//
module KeyFilter(input 		Clk,input 		Rst_n,input 		key_in,output reg 	key_flag,output reg 	key_state
);//按键的四个状态localparamIDLE 		= 4'b0001,FILTER1 	= 4'b0010,DOWN 		= 4'b0100,FILTER2 	= 4'b1000;//状态寄存器reg [3:0] curr_st;//边沿检测输出上升沿或下降沿wire pedge;wire nedge;//计数寄存器reg [19:0]cnt;//使能计数寄存器reg en_cnt;//计数满标志信号reg cnt_full;//计数满寄存器//------<边沿检测电路的实现>------//边沿检测电路寄存器reg key_tmp0;reg key_tmp1;//边沿检测always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginkey_tmp0 <= 1'b0;key_tmp1 <= 1'b0;endelse beginkey_tmp0 <= key_in;key_tmp1 <= key_tmp0;end	endassign nedge = (!key_tmp0) & (key_tmp1);assign pedge = (key_tmp0)  & (!key_tmp1);//------<状态机主程序>------	//状态机主程序always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endelse begincase(curr_st)IDLE:beginkey_flag <= 1'b0;if(nedge)begincurr_st <= FILTER1;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= IDLE;endFILTER1:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b0;curr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;end	else if(pedge)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER1;endDOWN:beginkey_flag <= 1'b0;if(pedge)begincurr_st <= FILTER2;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= DOWN;endFILTER2:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b1;curr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;end	else if(nedge)begincurr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER2;enddefault:begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endendcaseendend//------<20ms计数器>------		//20ms计数器//Clk 50_000_000Hz//一个时钟周期为20ns//需要计数20_000_000 / 20 = 1_000_000次always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt <= 20'd0;else if(en_cnt)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 20'd0;endalways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt_full <= 1'b0;else if(cnt == 999_999)cnt_full <= 1'b1;elsecnt_full <= 1'b0;endendmodule

串口接收模块

//
//模块名称:串口接收模块(工业环境)
//
module uart_byte_rx(input 					Clk,//50Minput 					Rst_n,input 			[2:0]	baud_set,input 					data_rx,output 	reg 	[7:0]	data_byte,output 	reg			Rx_Done
);reg s0_Rx,s1_Rx;//同步寄存器reg tmp0_Rx,tmp1_Rx;//数据寄存器reg [15:0]bps_DR;//分频计数器计数最大值reg [15:0]div_cnt;//分频计数器reg bps_clk;//波特率时钟reg [7:0]bps_cnt;reg uart_state;reg [2:0] r_data_byte [7:0];reg [2:0]START_BIT;reg [2:0]STOP_BIT;wire nedge;//--------<同步寄存器处理>--------		
//用于消除亚稳态always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)begins0_Rx <= 1'b0;s1_Rx <= 1'b0;endelse begins0_Rx <= data_rx;s1_Rx <= s0_Rx;endend//--------<数据寄存器处理>--------		always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)begintmp0_Rx <= 1'b0;tmp1_Rx <= 1'b0;endelse begintmp0_Rx <= s1_Rx;tmp1_Rx <= tmp0_Rx;endend//--------<下降沿检测>--------	assign nedge = !tmp0_Rx & tmp1_Rx;//--------<div_cnt模块>--------	
//得到不同计数周期的计数器always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)div_cnt <= 16'd0;else if(uart_state)beginif(div_cnt == bps_DR)div_cnt <= 16'd0;elsediv_cnt <= div_cnt + 1'b1;endelsediv_cnt <= 16'd0;end
//--------<bps_clk信号的产生>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)bps_clk <= 1'b0;else if(div_cnt == 16'd1)bps_clk <= 1'b1;elsebps_clk <= 1'b0;end//--------<bps_clk计数模块>--------		always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)bps_cnt <= 8'd0;else if(bps_cnt == 8'd159 || (bps_cnt == 8'd12 && (START_BIT > 2)))bps_cnt <= 8'd0;else if(bps_clk)bps_cnt <= bps_cnt + 1'b1;elsebps_cnt <= bps_cnt;end//--------<Rx_Done模块>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)Rx_Done <= 1'b0;else if(bps_cnt == 8'd159)Rx_Done <= 1'b1;elseRx_Done <= 1'b0;end	//--------<波特率查找表>--------		always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)bps_DR <= 16'd324;else begincase(baud_set)0:bps_DR <= 16'd324;1:bps_DR <= 16'd162;2:bps_DR <= 16'd80;3:bps_DR <= 16'd53;4:bps_DR <= 16'd26;default:bps_DR <= 16'd324;endcaseend	end//--------<采样数据接收模块>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginSTART_BIT <= 3'd0;r_data_byte[0] <= 3'd0; r_data_byte[1] <= 3'd0;r_data_byte[2] <= 3'd0; r_data_byte[3] <= 3'd0;r_data_byte[4] <= 3'd0; r_data_byte[5] <= 3'd0;r_data_byte[6] <= 3'd0; r_data_byte[7] <= 3'd0;STOP_BIT <= 3'd0;endelse if(bps_clk)begincase(bps_cnt)0:beginSTART_BIT <= 3'd0;r_data_byte[0] <= 3'd0;r_data_byte[1] <= 3'd0;r_data_byte[2] <= 3'd0;r_data_byte[3] <= 3'd0;r_data_byte[4] <= 3'd0;r_data_byte[5] <= 3'd0;r_data_byte[6] <= 3'd0;r_data_byte[7] <= 3'd0;STOP_BIT <= 3'd0; end6,7,8,9,10,11:START_BIT <= START_BIT + s1_Rx;22,23,24,25,26,27:r_data_byte[0] <= r_data_byte[0] + s1_Rx;38,39,40,41,42,43:r_data_byte[1] <= r_data_byte[1] + s1_Rx;54,55,56,57,58,59:r_data_byte[2] <= r_data_byte[2] + s1_Rx;70,71,72,73,74,75:r_data_byte[3] <= r_data_byte[3] + s1_Rx;86,87,88,89,90,91:r_data_byte[4] <= r_data_byte[4] + s1_Rx;102,103,104,105,106,107:r_data_byte[5] <= r_data_byte[5] + s1_Rx;118,119,120,121,122,123:r_data_byte[6] <= r_data_byte[6] + s1_Rx;134,135,136,137,138,139:r_data_byte[7] <= r_data_byte[7] + s1_Rx;150,151,152,153,154,155:STOP_BIT <= STOP_BIT + s1_Rx;default:beginSTART_BIT <= START_BIT;r_data_byte[0] <= r_data_byte[0];r_data_byte[1] <= r_data_byte[1];r_data_byte[2] <= r_data_byte[2];r_data_byte[3] <= r_data_byte[3];r_data_byte[4] <= r_data_byte[4];r_data_byte[5] <= r_data_byte[5];r_data_byte[6] <= r_data_byte[6];r_data_byte[7] <= r_data_byte[7];STOP_BIT <= STOP_BIT;endendcaseendend//--------<数据状态判定模块>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)data_byte <= 8'd0;else if(bps_cnt == 8'd159)begindata_byte[0] <= r_data_byte[0][2];data_byte[1] <= r_data_byte[1][2];data_byte[2] <= r_data_byte[2][2];data_byte[3] <= r_data_byte[3][2];data_byte[4] <= r_data_byte[4][2];data_byte[5] <= r_data_byte[5][2];data_byte[6] <= r_data_byte[6][2];data_byte[7] <= r_data_byte[7][2];endelse;end//--------<uart_state模块>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)uart_state <= 1'b0;else if(nedge)uart_state <= 1'b1;else if(Rx_Done || (bps_cnt == 8'd12 && (START_BIT > 2)))uart_state <= 1'b0;elseuart_state <= uart_state;endendmodule

串口发送模块

//
//模块名称:串口发送模块
//
module uart_byte_tx(input 		Clk,input 		Rst_n,input [7:0]	data_byte,input 		send_en,input [2:0]	baud_set,output reg uart_tx,output reg Tx_Done,output reg uart_state
);reg bps_clk;//波特率时钟reg [15:0]div_cnt;//分频计数器reg [15:0]bps_DR;//分频计数最大值reg [3:0]bps_cnt;//波特率计数时钟//定义数据的起始位和停止位localparam START_BIT = 1'b0;localparam STOP_BIT  = 1'b1;reg [7:0]r_data_byte;//数据寄存器//--------<uart状态模块>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)uart_state <= 1'b0;else if(send_en)uart_state <= 1'b1;else if(bps_cnt == 4'd11)//bps_cnt计数达到11次,即发送结束uart_state <= 1'b0;elseuart_state <= uart_state;end//--------<使能分频计数模块>-------	
//	assign en_cnt = uart_state;//--------<寄存待发送的数据,使数据保持稳定>--------always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)r_data_byte <= 8'd0;else if(send_en)r_data_byte <= data_byte;elser_data_byte <= r_data_byte;end//--------<波特率查找表>--------		always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)bps_DR <= 16'd5207;else begincase(baud_set)0:bps_DR <= 16'd5207;1:bps_DR <= 16'd2603;2:bps_DR <= 16'd1301;3:bps_DR <= 16'd867;4:bps_DR <= 16'd433;default:bps_DR <= 16'd5207;endcaseend	end//--------<Div_Cnt模块>--------	
//得到不同计数周期的计数器always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)div_cnt <= 16'd0;else if(uart_state)begin	//	assign en_cnt = uart_state;if(div_cnt == bps_DR)div_cnt <= 16'd0;elsediv_cnt <= div_cnt + 1'b1;endelsediv_cnt <= 16'd0;end
//--------<bps_clk信号的产生>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)bps_clk <= 1'b0;else if(div_cnt == 16'd1)bps_clk <= 1'b1;elsebps_clk <= 1'b0;end//--------<bps_cnt计数模块>--------		always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)bps_cnt <= 4'd0;else if(bps_cnt == 4'd11)//clr信号bps_cnt <= 4'd0;else if(bps_clk)bps_cnt <= bps_cnt + 1'b1;elsebps_cnt <= bps_cnt;end//--------<Tx_Done模块>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)Tx_Done <= 1'b0;else if(bps_cnt == 4'd11)Tx_Done <= 1'b1;elseTx_Done <= 1'b0;end//--------<数据位输出模块-10选1多路器>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)uart_tx <= 1'b1;else begincase(bps_cnt)0:uart_tx <= 1'b1;1:uart_tx <= START_BIT;2:uart_tx <= r_data_byte[0];3:uart_tx <= r_data_byte[1];4:uart_tx <= r_data_byte[2];5:uart_tx <= r_data_byte[3];6:uart_tx <= r_data_byte[4];7:uart_tx <= r_data_byte[5];8:uart_tx <= r_data_byte[6];9:uart_tx <= r_data_byte[7];10:uart_tx <= STOP_BIT;default:uart_tx <= 1'b1;endcaseendendendmodule

四、代码编写

上述已给出按键消抖模块和串口收发模块,在本文中主要编写控制模块顶层模块

4.1 控制模块

为了实现FPGA将接收到的数据存储到双口RAM的一段连续空间中,就需要设计一个可以实现写地址数据自加的控制逻辑,且其控制信号为串口接收模块输出的Rx_Done信号。每来一个Rx_Done就表明接收成功一字节数,地址数进行加一:

assign wren = Rx_Done;always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)wraddress <= 8'd0;else if(Rx_Done)wraddress <= wraddress + 1'b1;elsewraddress <= wraddress;
end

当按下按键S0,FPGA将RAM中存储的数据通过串口发送出去。需要实现按键按下即启动连续读操作,再次按下可暂停读操作:

reg do_send;always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)do_send <= 1'd0;else if(Key_flag && !Key_state)do_send <= ~do_send;
endalways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n) rdaddress <= 8'd0;else if(do_send && Tx_Done)rdaddress <= rdaddress + 8'd1;elserdaddress <= rdaddress;
end

在仿真双端口RAM时发现其输出会延迟两个系统时钟周期这是为了保证数据变化稳定之后才进行数据输出,所以在此将驱动Send_en的信号接两级寄存器进行延迟两拍当按键按下后启动一次发送,然后判断上一字节是否发送结束,是则进行下一字节发送否则不进行下一次发送:

reg r0_send_done,r1_send_done;always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginr0_send_done <= 1'b0;r1_send_done <= 1'b0;endelse beginr0_send_done <= (do_send && Tx_Done);r1_send_done <= r0_send_done; end
endalways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)Send_en <= 1'b0;else if(Key_flag && !Key_state)Send_en <= 1'b1;else if(r1_send_done)Send_en <= 1'b1;elseSend_en <= 1'b0;
end

为了保证RAM地址操作的有效性,在写地址和读地址代码部分加上范围限制

//--------<dpram写地址加1>--------	
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)wraddress <= 8'd0;else if(Rx_Done)wraddress <= wraddress + 1'b1;else if(wraddress > 8'd255) //当写地址大于配置ip核时的值时,返回到0地址;wraddress <= 8'd0;elsewraddress <= wraddress;
end//--------<dpram读地址加1>--------		
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)rdaddress <= 8'd0;else if(do_send && Tx_Done)rdaddress <= rdaddress + 8'd1;else if(rdaddress > 8'd255)	//当读地址大于255时,返回到0地址;rdaddress <= 8'd0;elserdaddress <= rdaddress;
end

完整的控制模块代码:system_ctrl.v

module system_ctrl(input 				Clk,input 				Rst_n,input 				Key_flag,input 				Key_state,input 				Rx_Done,input 				Tx_Done,output 				wren,output reg			Send_en,output reg [7:0]	rdaddress,output reg [7:0]	wraddress
);assign wren = Rx_Done;reg do_send;reg r0_send_done;reg r1_send_done;//--------<dpram写地址加1>--------	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)wraddress <= 8'd0;else if(Rx_Done)wraddress <= wraddress + 1'b1;else if(wraddress > 8'd255) //当写地址大于配置ip核时的值时,返回到0地址;wraddress <= 8'd0;elsewraddress <= wraddress;end//--------<翻转标志信号>--------
//按下一次按键开始连续发送数据,再按一次按键停止发送;always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)do_send <= 1'b0;else if(Key_flag && !Key_state)do_send <= ~do_send;end//--------<dpram读地址加1>--------		always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)rdaddress <= 8'd0;else if(do_send && Tx_Done)rdaddress <= rdaddress + 8'd1;else if(rdaddress > 8'd255)	//当读地址大于255时,返回到0地址;rdaddress <= 8'd0;elserdaddress <= rdaddress;end//--------<RAM的两拍延迟>--------	
//双端口RAM的输出延迟两个系统时钟周期;always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginr0_send_done <= 1'b0;r1_send_done <= 1'b1;endelse beginr0_send_done <= (do_send && Tx_Done);r1_send_done <= r0_send_done;endend//--------<按键控制与连续读操作>--------	
//Send_en由按键信号和r1_send_done信号同时控制;
//r1_send_done信号使得串口连续读取dpram的数据;always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)Send_en <= 1'b0;else if(Key_flag && !Key_state)Send_en <= 1'b1;else if(r1_send_done)Send_en <= 1'b1;elseSend_en <= 1'b0;endendmodule

控制模块的RTL视图:

RTL-CTRL

4.2 顶层模块

串口接收模块按键消抖模块RAM模块串口发送模块以及控制模块例化到顶层模块中。

uart_system_top.v:

module uart_system_top(input 	Clk,input 	Rst_n,input		key_in,input 	uart_rx,output 	uart_tx
);wire [7:0]rx_data;wire [7:0]tx_data;wire Key_flag;wire Key_state;wire Rx_Done;wire Tx_Done;wire wren;wire Send_en;wire [7:0]rdaddress;wire [7:0]wraddress;uart_byte_rx uart_byte_rx(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.baud_set(3'd0),.data_rx(uart_rx),.data_byte(rx_data),.Rx_Done(Rx_Done));dpram dpram(.clock(Clk),.data(rx_data),.rdaddress(rdaddress),.wraddress(wraddress),.wren(wren),.q(tx_data));KeyFilter KeyFilter(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(key_in),.key_flag(Key_flag),.key_state(Key_state));uart_byte_tx uart_byte_tx(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.data_byte(tx_data),.send_en(Send_en),.baud_set(3'd0),.uart_tx(uart_tx),.Tx_Done(Tx_Done),.uart_state());system_ctrl system_ctrl(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.Key_flag(Key_flag),.Key_state(Key_state),.Rx_Done(Rx_Done),.Tx_Done(Tx_Done),.wren(wren),.Send_en(Send_en),.rdaddress(rdaddress),.wraddress(wraddress));endmodule

顶层模块的RTL视图:

RTL

五、仿真测试激励文件

5.1 key_model

key_model仿真模型用于有按键控制信号的项目进行仿真测试,模拟实际情况中的按键抖动。 在仿真时将该模型也添加到工程中使用。

key_model.v:

`timescale 1ns/1nsmodule key_model(press,key);input press;output reg key;reg [15:0]myrand;initial beginkey = 1'b1;		endalways@(posedge press)press_key;task press_key;beginrepeat(50)beginmyrand = {$random}%65536;//0~65535;#myrand key = ~key;			endkey = 0;#25000000;repeat(50)beginmyrand = {$random}%65536;//0~65535;#myrand key = ~key;			endkey = 1;#25000000;		end	endtaskendmodule

5.2 testbench编写

完整的仿真测试激励文件:

uart_system_top_tb.v:

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20module uart_system_top_tb;reg Clk;reg Rst_n;wire Key_in;wire uart_rx;wire uart_tx;reg [7:0]data_byte_t;reg send_en;wire [2:0]baud_set;wire Tx_Done;reg press;assign baud_set = 3'd0;uart_system_top uart_system_top(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(Key_in),.uart_rx(uart_tx),.uart_tx(uart_rx));uart_byte_tx uart_byte_tx(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.data_byte(data_byte_t),.send_en(send_en),.baud_set(baud_set),.uart_tx(uart_tx),.Tx_Done(Tx_Done),.uart_state());key_model key_model(.press(press),.key(Key_in));initial Clk = 1;always#(`clock_period / 2) Clk = ~Clk;initial beginRst_n = 1'b0;press = 0;data_byte_t = 8'd0;send_en = 1'd0;#(`clock_period*20 + 1 );Rst_n = 1'b1;#(`clock_period*50);data_byte_t = 8'haa;send_en = 1'd1;#`clock_period;send_en = 1'd0;		@(posedge Tx_Done)#(`clock_period*5000);data_byte_t = 8'h55;send_en = 1'd1;#`clock_period;send_en = 1'd0;@(posedge Tx_Done)#(`clock_period*5000);data_byte_t = 8'h33;send_en = 1'd1;#`clock_period;send_en = 1'd0;		@(posedge Tx_Done)#(`clock_period*5000);data_byte_t = 8'haf;send_en = 1'd1;#`clock_period;send_en = 1'd0;@(posedge Tx_Done)#(`clock_period*5000);press = 1;#(`clock_period*3)press = 0;#(`clock_period*2000000)$stop;endendmodule

5.3 仿真结果

仿真结果

六、板级验证

🥝输入数据储存到双口RAM中:
输入

🥝输出RAM中的数据:
输出

csdn

🧸结尾


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