linux驱动开发 - 08_内核定时器

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1 Linux 时间管理和内核定时器简介

1.1 内核时间管理简介

  • Linux 内核中有大量的函数需要时间管理,比如周期性的调度程序、延时程序、对于驱动编写者来说最常用的定时器。

  • 硬件定时器提供时钟源,时钟源的频率可以设置, 设置好以后就周期性的产生定时中断系统使用定时中断来计时。中断周期性产生的频率就是系统频率,也叫做节拍率(tick rate)(叫系统频率),比如 1000Hz, 100Hz 等等说的就是系统节拍率。系统节拍率是可以设置的,单位是 Hz

在编译 Linux 内核的时候可以通过图形化界面设置系统节拍率,按照如下路径打开配置界面:

make menuconfig

-> Kernel Features
	-> Timer frequency (<choice> [=y])

选中“Timer frequency”

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可以看出,可选的系统节拍率为 100Hz、 200Hz、 250Hz、 300Hz、 500Hz 和 1000Hz,默认情况下选择 100Hz。设置好以后打开 Linux 内核源码根目录下的.config 文件,在此文件中

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CONFIG_HZ 为 100, Linux 内核会使用 CONFIG_HZ 来设置自己的系统时钟。

打开文件 include/asm-generic/param.h,有如下内容:

6 # undef HZ
7 # define HZ CONFIG_HZ
8 # define USER_HZ 100
9 # define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)

第 7 行定义了一个宏 HZ,宏 HZ 就是 CONFIG_HZ,因此 HZ=100,编写 Linux驱动的时候会用到 HZ,因为 HZ 表示一秒的节拍数,也就是频率。

  • 系统节拍率默认为 100Hz 的时候都会有疑问,怎么这么小? 100Hz 是可选的节拍率里面最小的。为什么不选择大一点的呢?这里就引出了一个问题:高节拍率和低节拍率的优缺点:

①、高节拍率会提高系统时间精度,如果采用 100Hz 的节拍率,时间精度就是 10ms,采用1000Hz 的话时间精度就是 1ms,精度提高了 10 倍。高精度时钟的好处有很多,对于那些对时间要求严格的函数来说,能够以更高的精度运行,时间测量也更加准确。
②、高节拍率会导致中断的产生更加频繁,频繁的中断会加剧系统的负担, 1000Hz 和 100Hz的系统节拍率相比,系统要花费 10 倍的“精力”去处理中断。中断服务函数占用处理器的时间增加,但是现在的处理器性能都很强大,所以采用 1000Hz 的系统节拍率并不会增加太大的负载压力。根据自己的实际情况,选择合适的系统节拍率,本教程我们全部采用默认的 100Hz 系统节拍率。

  • Linux 内核使用全局变量 jiffies 来记录系统从启动以来的系统节拍数,系统启动的时候会将 jiffies 初始化为 0, jiffies 定义在文件 include/linux/jiffies.h 中,定义如下:
76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
77 extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

jiffies_64 和 jiffies 其实是同一个东西, jiffies_64 用于 64 位系统,而 jiffies 用于 32 位系统。为了兼容不同的硬件, jiffies 其实就是 jiffies_64 的低 32 位, jiffies_64 和 jiffies 的结构如图

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访问的是 jiffies_64 的低 32 位,使用 get_jiffies_64 这个函数可以获取 jiffies_64 的值。在 32 位的系统上读取 jiffies 的值,在 64 位的系统上 jiffes 和 jiffies_64表示同一个变量,因此也可以直接读取 jiffies 的值。所以不管是 32 位的系统还是 64 位系统,都可以使用 jiffies。

  • HZ 表示每秒的节拍数, jiffies 表示系统运行的 jiffies 节拍数,所以 jiffies/HZ 就是系统运行时间,单位为秒。

不管是 32 位还是 64 位的 jiffies,都有溢出的风险,溢出以后会重新从 0 开始计数,相当于绕回来了,将这个现象也叫做绕回。 假如 HZ 为最大值 1000 的时候, 32 位的 jiffies 只需要 49.7 天就发生了绕回,对于 64 位的 jiffies 来说大概需要5.8 亿年才能绕回

处理 32 位 jiffies 的绕回显得尤为重要,Linux 内核提供了几个 API 函数来处理绕回

函数 描述
time_after(unkown, known) unkown 通常为 jiffies, known 通常是需要对比的值。
time_before(unkown, known)
time_after_eq(unkown, known)
time_before_eq(unkown, known)
  • 如果 unkown 超过 known 的话, time_after 函数返回真 ,否则返回假。
  • 果 unkown 没有超过 known 的话 time_before 函数返回真,否则返回假。
  • time_after_eq 函数和 time_after 函数类似,只是多了判断等于这个条件。同理, time_before_eq 函数和 time_before 函数也类似。

要判断某段代码执行时间有没有超时,此时就可以使用如下所示代码:

1 unsigned long timeout;
2 timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
3 
4	/*************************************
5 	具体的代码
6 	************************************/
7 
8	/* 判断有没有超时 */
9 	if(time_before(jiffies, timeout)) {
10 		/* 超时未发生 */
11 	} else {
12 		/* 超时发生 */
13 	}

timeout 就是超时时间点,比如我们要判断代码执行时间是不是超过了 2 秒,那么超时时间点就是 jiffies+(2*HZ),如果 jiffies 大于 timeout 那就表示超时了,否则就是没有超时。

通过函数 time_before 来判断 jiffies 是否小于 timeout,如果小于的话就表示没有超时。

为了方便开发, Linux 内核提供了几个 jiffies 和 ms、 us、 ns 之间的转换函数

函数 描述
int jiffies_to_msecs(const unsigned long j) 将 jiffies 类型的参数 j 分别转换为对应的毫秒、 微秒、纳秒。
int jiffies_to_usecs(const unsigned long j)
u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j)
long msecs_to_jiffies(const unsigned int m) 将毫秒、微秒、纳秒转换为 jiffies 类型。
long usecs_to_jiffies(const unsigned int u)
unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n)

1.2 内核定时器简介

  • 定时器是一个很常用的功能,需要周期性处理的工作都要用到定时器。

  • Linux 内核定时器使用很简单,只需要提供超时时间(相当于定时值)和定时处理函数即可,当超时时间到了以后设置的定时处理函数就会执行 ,使用内核定时器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。

  • 要注意一点,内核定时器并不是周期性运行的,超时以后就会自动关闭,因此如果想要实现周期性定时,那么就需要在定时处理函数中重新开启定时器。

Linux 内核使用 timer_list 结构体表示内核定时器, timer_list 定义在文件nclude/linux/timer.h 中,定义如下

struct timer_list {
    struct list_head entry;
    unsigned long expires; 				/* 定时器超时时间,单位是节拍数 */
    struct tvec_base *base;
    
    void (*function)(unsigned long); 	/* 定时处理函数 */
    unsigned long data; 				/* 要传递给 function 函数的参数 */
    
    int slack;
};
  • 要使用内核定时器首先要先定义一个 timer_list 变量,表示定时器, tiemr_list 结构体的expires 成员变量表示超时时间,单位为节拍数。

  • 比如需要定义一个周期为 2 秒的定时器,那么这个定时器的超时时间就是 jiffies+(2HZ),因此 expires=jiffies+(2HZ)。

  • function 就是定时器超时以后的定时处理函数,要做的工作就放到这个函数里面,需要编写这个定时处理函数。

需要通过一系列的 API 函数来初始化此定时器,这些函数如下:

1、init_timer 函数

init_timer 函数负责初始化 timer_list 类型变量,当定义了一个 timer_list 变量以后一定要先用 init_timer 初始化一下。 init_timer 函数原型如下:

void init_timer(struct timer_list *timer)
函数参数和返回值含义如下:
timer:要初始化定时器。
返回值: 没有返回值。
2、add_timer 函数

add_timer 函数用于向 Linux 内核注册定时器,使用 add_timer 函数向内核注册定时器以后,定时器就会开始运行,函数原型如下:

void add_timer(struct timer_list *timer)
函数参数和返回值含义如下:
timer:要注册的定时器。
返回值: 没有返回值。  
3、del_timer 函数

del_timer 函数用于删除一个定时器,不管定时器有没有被激活,都可以使用此函数删除。在多处理器系统上,定时器可能会在其他的处理器上运行,因此在调用 del_timer 函数删除定时器之前要先等待其他处理器的定时处理器函数退出。 del_timer 函数原型如下:

int del_timer(struct timer_list * timer)
函数参数和返回值含义如下:
timer:要删除的定时器。
返回值: 0,定时器还没被激活; 1,定时器已经激活。  
4、del_timer_sync 函数

del_timer_sync 函数是 del_timer 函数的同步版,会等待其他处理器使用完定时器再删除,del_timer_sync 不能使用在中断上下文中。

del_timer_sync 函数原型如下所示:

int del_timer_sync(struct timer_list *timer)
函数参数和返回值含义如下:
timer:要删除的定时器。
返回值: 0,定时器还没被激活; 1,定时器已经激活。
5、mod_timer 函数

mod_timer 函数用于修改定时值,如果定时器还没有激活的话, mod_timer 函数会激活定时器!函数原型如下:

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
函数参数和返回值含义如下:
timer:要修改超时时间(定时值)的定时器。
expires:修改后的超时时间。
返回值: 0,调用 mod_timer 函数前定时器未被激活; 1,调用 mod_timer 函数前定时器已被激活  
  • 内核定时器一般的使用流程
struct timer_list timer; /* 定义定时器 */

/* 定时器回调函数 */
void function(unsigned long arg
{
    /*
    * 定时器处理代码
    */

    /* 如果需要定时器周期性运行的话就使用 mod_timer
    * 函数重新设置超时值并且启动定时器。
    */
    mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
}

/* 初始化函数 */
void init(void)
{
    init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */

    timer.function = function; /* 设置定时处理函数 */
    timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间 2 秒 */
    timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数 */

    add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
}

/* 退出函数 */
void exit(void)
{
    del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
    /* 或者使用 */
    del_timer_sync(&timer);
}

1.3 Linux 内核短延时函数

需要在内核中实现短延时,尤其是在 Linux 驱动中。 Linux 内核提供了毫秒、微秒和纳秒延时函数

函数 描述
void ndelay(unsigned long nsecs) 纳秒、微秒和毫秒延时函数。
void udelay(unsigned long usecs)
void mdelay(unsigned long mseces)

2 实验程序编写

使用内核定时器周期性的点亮和熄灭开发板上的 LED 灯, LED 灯的闪烁周期由内核定时器来设置,测试应用程序可以控制内核定时器周期。

2.1 定时器驱动程序编写

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>

#define TIMER_CNT        1
#define TIMER_NAME       "timer"

#define CLOSE_CMD         _IO(0XEF, 1)          //关闭命令
#define OPEN_CMD          _IO(0XEF, 2)          //打开命令
#define SETPERIOD_CMD     _IOW(0XEF, 3, int)    //设置周期

/* timer设备结构体 */
struct timer_dev{
    dev_t devid;                /* 设备号 	 */
    struct cdev cdev;           /* cdev 	*/
    struct class* class;        /* 类 		*/
    struct device* device;      /* 设备 	 */
    int major;                  /* 主设备号	  */
    int minor;                  /* 次设备号   */
    struct device_node* nd;     /* 设备节点 */
    int led_gpio;               /* led所使用的GPIO编号		*/
    struct timer_list timer;    /* 定时器 */
    int timeperiod;             /*  定时周期ms */
};

struct timer_dev timerdev;     /* led设备 */

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int timer_open(struct inode* inode, struct file* filp)
{
    filp->private_data = &timerdev;
    return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int timer_release(struct inode* inode, struct file* filp)
{
    return 0;
}

static long timer_ioctl(struct file* filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    int ret = 0;
    int value = 0;
    struct timer_dev* dev = filp->private_data;

    switch (cmd) {
	case CLOSE_CMD:
        del_timer_sync(&dev->timer);
		break;
	case OPEN_CMD:
        mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timeperiod));
		break;
	case SETPERIOD_CMD:
        ret = copy_from_user(&value, (int *)arg, sizeof(int));
        if(ret < 0) {
            return -EFAULT;
        }

        dev->timeperiod = value;
        mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timeperiod));
		break;
	}

    return ret;
}



/* 设备操作函数 */
static struct file_operations timerdev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
	.open = timer_open,
    .unlocked_ioctl = timer_ioctl,
	.release = 	timer_release
};

/* 定时器处理函数 */
static void timer_func(unsigned long arg)
{
    struct timer_dev *dev = (struct timer_dev*)arg;
    static int sta = 1;

    sta = !sta;
    gpio_set_value(dev->led_gpio, sta);

    mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timeperiod));
}


/*初始化LED灯*/
int led_init(struct timer_dev* dev)
{
    int ret = 0;

    /* 1,获取设备节点 */
    dev->nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    if(dev->nd == NULL) {
        ret = -EINVAL;
        goto fail_fd;
    }

    /* 2, 获取LED所对应的GPIO */
    dev->led_gpio = of_get_named_gpio(dev->nd, "led-gpio", 0);
    if(dev->led_gpio < 0) {
        printk("can't find led gpio\r\n");
        ret = -EINVAL;
        goto fail_gpio;
    }
    printk("led gpio num = %d\r\n", dev->led_gpio);

    /* 3,申请IO 
    ret = gpio_request(dev->led_gpio, "led-gpio");
	if (ret) {
		printk("Failed to request the led gpio\r\n");
		ret = -EINVAL;
        goto faile_request;
	}*/

    /* 4,使用IO,设置为输出 */
    ret = gpio_direction_output(dev->led_gpio, 1);  /* 设置输出,默认关灯 */
    if(ret < 0) {
       ret = -EINVAL;
       goto fail_gpioset;
   }

fail_gpioset:
    gpio_free(dev->led_gpio);
//faile_request:
fail_gpio:
fail_fd:
    return ret;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init timer_init(void)
{
    int ret = 0;

    /* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (timerdev.major) {		/*  定义了设备号 */
		timerdev.devid = MKDEV(timerdev.major, 0);
		register_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT, TIMER_NAME);
	} else {						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&timerdev.devid, 0, TIMER_CNT, TIMER_NAME);	/* 申请设备号 */
		timerdev.major = MAJOR(timerdev.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		timerdev.minor = MINOR(timerdev.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
    if(ret < 0){
        goto fail_devid;
    }
	printk("timerdev major=%d,minor=%d\r\n",timerdev.major, timerdev.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	timerdev.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&timerdev.cdev, &timerdev_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&timerdev.cdev, timerdev.devid, TIMER_CNT);
    if (ret)
		goto fail_cdevadd;

	/* 4、创建类 */
	timerdev.class = class_create(THIS_MODULE, TIMER_NAME);
	if (IS_ERR(timerdev.class)) {
		return PTR_ERR(timerdev.class);
        goto fail_class;
	}

	/* 5、创建设备 */
	timerdev.device = device_create(timerdev.class, NULL, timerdev.devid, NULL, TIMER_NAME);
	if (IS_ERR(timerdev.device)) {
		return PTR_ERR(timerdev.device);
        goto fail_device;
	}

    /* 5、初始化LED灯 */
    led_init(&timerdev);
    if(ret < 0) {
        goto fail_ledinit;
    }

    /* 7,初始化定时器 */
    init_timer(&timerdev.timer);                    /* 初始化定时器 */

    timerdev.timeperiod = 500;                      /* 设置定时周期 */
    timerdev.timer.function = timer_func;;          /* 设置定时处理函数 */
    timerdev.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(timerdev.timeperiod);   /* 超时时间 500 毫秒 */
    timerdev.timer.data = (unsigned long)&timerdev;  /* 将设备结构体作为参数 */                                        

    add_timer(&timerdev.timer);                              /* 启动定时器 */

    return 0;

fail_ledinit:
fail_device:
    class_destroy(timerdev.class);
fail_class:
    cdev_del(&timerdev.cdev);
fail_cdevadd:
    unregister_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT);
fail_devid:
    return ret;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit timer_exit(void)
{
    /* 关灯 */
    gpio_set_value(timerdev.led_gpio, 1);

    /*  删除定时器 */
    del_timer(&timerdev.timer);

    /* 注销字符设备驱动 */
    cdev_del(&timerdev.cdev);
    unregister_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT);

    device_destroy(timerdev.class, timerdev.devid);
    class_destroy(timerdev.class);

    /* 释放IO */
    //gpio_free(timerdev.led_gpio);
}

module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("kaka");
  • 函数 timer_ioctl,对应应用程序的 ioctl 函数,应用程序调用 ioctl函数向驱动发送控制信息,此函数响应并执行。此函数有三个参数: filp, cmd 和 arg,其中 filp是对应的设备文件, cmd 是应用程序发送过来的命令信息, arg 是应用程序发送过来的参数.
  • 共有三种命令 CLOSE_CMD, OPEN_CMD 和 SETPERIOD_CMD,这三个命令分别为关闭定时器、打开定时器、设置定时周期。这三个命令的左右如下:
    • CLOSE_CMD: 关闭定时器命令, 调用 del_timer_sync 函数关闭定时器。
    • OPEN_CMD:打开定时器命令,调用 mod_timer 函数打开定时器,定时周期为 timerdev 的timeperiod 成员变量,定时周期默认是 1 秒。
    • SETPERIOD_CMD:设置定时器周期命令,参数 arg 就是新的定时周期,设置 timerdev 的timeperiod 成员变量为 arg 所表示定时周期指。并且使用 mod_timer 重新打开定时器,使定时器以新的周期运行。

2.2 编写测试 APP

测试 APP 要实现的内容如下:
①、运行 APP 以后提示我们输入要测试的命令,输入 1 表示关闭定时器、输入 2 表示打开定时器,输入 3 设置定时器周期。
②、如果要设置定时器周期的话,需要让用户输入要设置的周期值,单位为毫秒。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
/*
 *argc:应用程序参数个数
 *argv[]:具体的参数内容,字符串形式 
 *./timerAPP  <filename>  
 * ./timerAPP /dev/timer
 */

#define CLOSE_CMD           _IO(0XEF, 1)           //关闭命令               
#define OPEN_CMD            _IO(0XEF, 2)          //打开命令             
#define SETPERIOD_CMD       _IOW(0xEF, 3, int)    //设置周期

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, ret;
    char *filename;
    unsigned char databuf[1];
    unsigned int cmd;
    unsigned int arg;
    unsigned char str[100];

    if(argc != 2) {
        printf("Error Usage!\r\n");
        return -1;
    }

    filename = argv[1];

    fd = open(filename, O_RDWR);
    if(fd < 0) {
        printf("file %s open failed!\r\n", filename);
        return -1;
    }

    /* 循环读取 */
    while(1) {
        printf("Input CMD:");
        ret = scanf("%d", &cmd);
        if(ret !=1 ) {
            gets(str);  /* 防止卡死 */
        }

        if(cmd == 1) {          /* 关闭 */
            ioctl(fd, CLOSE_CMD, &arg);  
        } else if(cmd == 2) {   /* 打开 */
            ioctl(fd, OPEN_CMD, &arg); 
        } else if(cmd == 3) {    /* 设置周期 */
            printf("Input Timer period:");
            ret = scanf("%d", &arg);
            if(ret !=1 ) {
                gets(str);
            }
            ioctl(fd, SETPERIOD_CMD, &arg); 
        }
    }

    close(fd);

    return 0;
}

3 编译驱动程序和测试 APP

3.1 编译驱动程序

编写 Makefile 文件

KERNELDIR := /home/kaka/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek

CURRENT_PATH := $(shell pwd)

obj-m := timer.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
	arm-linux-gnueabihf-gcc timerAPP.c -o timerAPP

clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

输入如下命令编译出驱动模块文件:

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“timer.ko ”的驱动模块文件。

3.2 编译测试 APP

arm-linux-gnueabihf-gcc timerAPP.c -o timerAPP

4 运行测试

将编译出来的led.ko和ledApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中 ,输入如下命令加载 timer.ko 驱动模块:

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe timer.ko //加载驱动

驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息

/lib/modules/4.1.15 # modprobe timer.ko
timerdev major=249,minor=0
led gpio num = 3

驱动加载成功以后如下命令来测试:

/timerApp /dev/timer

输入上述命令以后终端提示输入命令

/lib/modules/4.1.15 # ./timerAPP /dev/timer
Input CMD:

输入“2”,打开定时器,此时 LED 灯就会以默认的 1 秒周期开始闪烁。在输入“3”来设置定时周期,根据提示输入要设置的周期值

Input CMD:3
Input Timer period:1000

输入“1000”,表示设置定时器周期值为 1000ms,设置好以后 LED 灯就会以 1000ms 为间隔,开始闪烁。最后可以通过输入“1”来关闭定时器,如果要卸载驱动的话输入如下命令即可:文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-433087.html

rmmod timer.ko

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