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RTP Reconfiguration Flows 模块深度解析

一句话总结

RTP(Runtime Parameters)重配置流模块是 Versal AIE(AI Engine)平台的运行时参数动态重配置教程集合,展示了如何在系统运行期间动态修改 AIE 内核的运行时参数,而无需重新编译或重新加载整个 AIE 图。


问题空间:为什么需要这个模块?

背景:静态配置的局限性

在传统 FPGA/SoC 开发中,AIE 内核(AI Engine kernels)的配置通常是静态的——在编译时确定,在加载时固定。这就像一台收音机,出厂时频率就锁死了,用户无法调台。

然而,许多实际应用需要在运行时动态调整参数:

  • 自适应信号处理:滤波器系数需要根据输入信号特性动态调整
  • 多模式操作:同一硬件需要在不同工作模式间切换(如不同带宽的 FFT)
  • 实时校准:增益、偏移等参数需要根据环境条件动态校准
  • 协议适配:通信系统的调制参数需要根据链路质量调整

解决方案:RTP(Runtime Parameters)

Xilinx Versal AIE 架构引入了 RTP 机制——一种允许主机(ARM 处理器)在 AIE 图运行期间动态读写 AIE 内核参数的机制。

想象 AIE 图是一个交响乐团,RTP 就像是指挥手中的乐谱——可以随时翻页、修改,而乐团(AIE 内核)会实时跟随新的指示演奏。

本模块的定位

本模块是一个教程集合,而非生产库。它通过四个递进的示例,展示 RTP 机制的不同用法:

  1. 同步 RTP(sync_rtp):基础用法,阻塞式更新
  2. 异步 RTP(async_rtp):非阻塞更新,提高吞吐
  3. 异步数组 RTP(async_array_rtp):批量参数更新
  4. 异步数组 RTP 回读(async_array_rtp_read):双向数据交换

核心抽象与心智模型

抽象一:AIE 图作为数据流图

将 AIE 图想象为一个数据流流水线:

┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  数据源     │───→│  AIE 内核   │───→│  数据汇聚   │
│ (datagen)   │    │  (compute)  │    │   (s2mm)    │
└─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
       ↑                                     │
       └──────── RTP 参数更新 ←───────────────┘
  • PL 内核(datagen/s2mm):可编程逻辑(FPGA fabric)中的数据搬运核
  • AIE 内核:AI Engine 阵列中的计算核
  • RTP 通道:主机与 AIE 内核之间的参数传递通道(旁路数据流)

抽象二:RTP 作为"边带控制通道"

RTP 机制本质上是一条边带控制通道——它与主数据流并行,但传输的是控制信息而非业务数据。

想象一条高速公路(主数据流)和旁边的应急车道(RTP 通道):

  • 主车道(数据流):持续高吞吐量的业务数据传输
  • 应急车道(RTP):间歇性的控制指令传输,可随时插入

抽象三:同步 vs 异步的权衡

本模块展示了四种 RTP 使用模式,构成一个同步-异步谱系:

模式 主机行为 AIE 行为 适用场景 权衡
sync_rtp 阻塞等待确认 立即应用 参数必须立即生效 主机阻塞,延迟大
async_rtp 非阻塞发送 下一迭代应用 吞吐优先 可能有旧参数延迟
async_array_rtp 批量非阻塞 批量原子更新 多参数一致更新 复杂度增加
async_array_rtp_read 批量读写 双向数据交换 需要反馈 双向同步复杂度

抽象四:配置即代码

本模块的一个关键洞察是:在 Vitis 工具链中,系统配置(.cfg 文件)本身就是代码——它们定义了编译时和运行时的行为。

  • config.cfg:HLS 编译配置(频率、顶层函数、输出格式)
  • system.cfg:系统集成配置(内核实例化、流连接)
  • Makefile / CMakeLists.txt:构建编排

理解这些配置文件与 C++/HLS 源码的协作关系,是掌握 Versal AIE 开发的关键。


架构详解与数据流

系统架构图

flowchart TB subgraph Host["主机 (ARM Processor)"] H1[XRT Runtime] H2[RTP Update API] H3[Host Control Application] end subgraph PL["可编程逻辑 (PL)"] P1[datagen
数据生成器] P2[s2mm
流转内存] end subgraph AIE["AI Engine 阵列"] A1[AIE 计算内核] A2[RTP 寄存器] end H3 --> H2 H2 --> H1 H1 -.RTP 更新.-> A2 P1 -->|数据流| A1 A1 -->|数据流| P2 A2 -.->|参数| A1

核心组件分解

1. PL 内核:数据搬运与生成

本模块中的 PL(可编程逻辑)内核是 HLS(高层次综合)生成的 RTL 模块:

datagen 内核(数据生成器)

  • 职责:生成测试数据,注入 AIE 图的数据输入端口
  • 接口:输出 AXI4-Stream(hls::stream)
  • HLS 配置:400 MHz 目标频率,通过 config.cfg 指定

s2mm 内核(Stream-to-Memory)

  • 职责:将 AIE 输出的数据流写入 DDR 内存,供主机读取验证
  • 接口:输入 AXI4-Stream,输出 AXI4-Full(DDR 访问)
  • 关键特性:支持突发传输(burst)优化内存带宽

2. AIE 内核与 RTP 机制

AIE 计算内核

  • 使用特定于 AIE 架构的 C++ 方言编写
  • 支持向量级并行(SIMD)和级联链(cascade)
  • 通过 adf::kernel 包装器集成到 AIE 图中

RTP(Runtime Parameters)寄存器

  • 特殊的内存映射寄存器,可由主机通过 XRT API 访问
  • 在 AIE 内核代码中声明为 adf::rtp 类型
  • 支持标量和数组两种形式
  • 更新可以是同步(阻塞)或异步(非阻塞)

3. 主机控制层

XRT(Xilinx Runtime)

  • 用户空间驱动层,提供 AIE 图管理、内存分配、RTP 访问 API
  • 支持多种编程模型:OpenCL、Native XRT、Python 绑定

控制应用逻辑

  • 加载 AIE 图(.xclbin)到 AIE 阵列
  • 配置 PL 内核(datagen、s2mm)
  • 执行 RTP 更新序列
  • 启动数据流并验证结果

数据流与 RTP 更新时序

场景:异步 RTP 更新流程

sequenceDiagram participant Host as 主机应用 participant XRT as XRT Runtime participant AIE as AIE 内核 participant PL as PL 内核 (datagen/s2mm) Note over Host,PL: 初始化阶段 Host->>XRT: xclbin 加载 AIE 图 Host->>XRT: 初始化 RTP 寄存器 Host->>PL: 配置 datagen 和 s2mm Note over Host,PL: 运行时阶段 - 第 N 次迭代 PL->>AIE: 数据流入 (Datain0) AIE->>PL: 数据流出 (Dataout0) Host->>XRT: async_update_rtp(new_params) Note right of Host: 非阻塞返回
立即继续执行 XRT->>AIE: 后台更新 RTP 寄存器 Note right of AIE: 下一迭代使用新参数 AIE->>PL: 使用更新后参数处理数据 Host->>XRT: 读取 s2mm 结果验证

同步 vs 异步 RTP 更新对比

同步 RTP 更新(update_rtp)

// 主机代码
graph.update_rtp(kernel_param, new_value);  // 阻塞调用
// 只有当 AIE 内核确认接收新参数后,调用才返回
// 保证下一数据样本使用新参数处理

异步 RTP 更新(async_update_rtp)

// 主机代码
auto h = graph.async_update_rtp(kernel_param, new_value);  // 非阻塞,立即返回
// 主机可以继续执行其他工作(如准备下一帧数据)
// ... 执行其他工作 ...
h.wait();  // 可选:等待更新完成
// 或者查询状态:if (h.done()) { ... }

系统连接配置解析

本模块的核心配置位于 system.cfg 文件中,定义了系统拓扑:

[connectivity]
nk=s2mm:1:s2mm          # 实例化 1 个 s2mm 内核,实例名为 s2mm
nk=datagen:1:datagen    # 实例化 1 个 datagen 内核,实例名为 datagen

# 流连接:AIE 输出 -> s2mm 输入
stream_connect=ai_engine_0.Dataout0:s2mm.s

# 流连接:datagen 输出 -> AIE 输入
stream_connect=datagen.out:ai_engine_0.Datain0

连接语义解释:

  • nk=<kernel>:<count>:<instance_name>:内核实例化声明
  • stream_connect=<source>:<sink>:AXI4-Stream 连接
    • ai_engine_0:由 adf::graph 生成的 AIE 图包装器
    • Dataout0/Datain0:AIE 图暴露的流端口(在 graph.cpp 中定义)
    • s:s2mm 内核的流输入端口(在 s2mm.cpp 中定义)
    • out:datagen 内核的流输出端口(在 datagen.cpp 中定义)

子模块结构

本模块包含四个递进式教程子模块,每个演示一种 RTP 使用模式:

子模块 路径 核心概念
sync_rtp_reconfiguration_flow sync_rtp/ 同步 RTP 更新,阻塞式 API
async_rtp_reconfiguration_flow async_rtp/ 异步 RTP 更新,非阻塞式 API
async_array_rtp_reconfiguration_flow async_array_rtp/ 数组类型 RTP,批量参数更新
async_array_rtp_readback_flow async_array_rtp_read/ RTP 双向读写,主机-AIE 数据交换

子模块选择指南

对于新加入团队的开发者,建议按以下顺序学习:

  1. 从 sync_rtp 开始:理解最基本的 RTP 概念和同步更新语义
  2. 进阶到 async_rtp:学习非阻塞 API 如何提高主机并行度
  3. 探索 async_array_rtp:处理实际场景中的多参数批量更新
  4. 掌握 async_array_rtp_read:实现完整的主机-AIE 双向通信

关键设计决策与权衡

决策一:同步 vs 异步 API 设计

问题:RTP 更新应该是阻塞(同步)还是非阻塞(异步)?

选择的方案:

  • 同步 API (update_rtp):调用返回时保证 AIE 已接收新参数
  • 异步 API (async_update_rtp):立即返回,后台完成传输

权衡分析:

维度 同步 API 异步 API
编程简单性 简单,顺序语义直观 需要处理 future/handle 状态
主机 CPU 利用率 阻塞等待,CPU 空转 可并行执行其他工作
延迟确定性 强,知道何时生效 弱,需显式等待确认
吞吐率 受 RTP 传输延迟限制 可流水线化多个更新
适用场景 参数必须立即生效的强一致性场景 高吞吐流式处理,可容忍短暂旧值

设计哲学:提供两种 API 让开发者根据场景选择,而非强制单一模型。这体现了"为正确的工作选择正确的工具"的设计理念。

决策二:标量 RTP vs 数组 RTP

问题:RTP 应该只支持标量,还是应该支持数组类型?

选择的方案:

  • 标量 RTP:单个值(如增益系数、阈值)
  • 数组 RTP:连续内存块(如滤波器抽头系数、FFT 旋转因子)

权衡分析:

维度 标量 RTP 数组 RTP
传输开销 低(单次寄存器写或小块 DMA) 高(需要 DMA 传输或多次 MMIO)
原子性 天然原子(单值) 需要额外同步保证数组一致性
用例覆盖 简单控制参数 复杂算法系数、查找表
API 复杂度 简单(单一值) 复杂(需指定基地址、大小、步幅)
AIE 内核代码 直接读取标量寄存器 使用 window 或 ptr 接口访问数组

设计洞察:数组 RTP 本质上是"小数据 DMA"——它模糊了 RTP(控制平面)和常规数据流(数据平面)的界限。这种设计允许算法参数(如自适应滤波器系数)像数据一样被批量更新,而不需要重新设计数据通路。

决策三:单向更新 vs 双向读写

问题:RTP 应该是仅主机→AIE 的单向写入,还是应该支持 AIE→主机的读回?

选择的方案:

  • 单向写入(大多数场景):主机推送参数到 AIE
  • 双向读写(async_array_rtp_read):AIE 可以写回状态/结果,主机可以读取

权衡分析:

维度 单向写入 双向读写
硬件复杂度 简单(仅 MMIO 写) 复杂(需 MMIO 读通道或共享内存)
AIE 内核代码 只读 RTP 变量 可写 RTP 变量
用例 参数传递、配置更新 状态查询、调试、自适应反馈
数据一致性 主机是单一数据源 需要处理读写竞争
教程复杂度 入门级 高级

设计洞察:双向 RTP 读回机制将 RTP 从"配置接口"转变为"轻量通信接口"。这允许实现简单的主机-AIE 协同算法(如主机执行高层决策,AIE 执行底层信号处理,通过 RTP 交换状态),而无需建立完整的数据流通道。

决策四:HLS 内核 vs AIE 内核的职责划分

问题:系统应该如何在 HLS(PL 侧)和 AIE 之间划分功能?

选择的方案:

  • HLS 内核:负责数据搬运(datagen/s2mm)、格式转换、与 DDR 的交互
  • AIE 内核:负责核心计算(利用 AIE 的 SIMD/向量化能力)

架构原理:

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      系统架构                            │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  主机 (ARM) │ XRT Runtime │ RTP API                      │
├─────────────┴─────────────┴─────────────────────────────┤
│  PL (FPGA fabric)        │  AIE Array                  │
│  ┌─────────┐  ┌────────┐ │  ┌─────────────────┐       │
│  │ datagen │─→│  ...   │─→│  Compute Kernel │       │
│  └─────────┘  └────────┘ │  └─────────────────┘       │
│       ↑                   │         │                   │
│       └───────────────────┴─────────┘                   │
│                         RTP 更新通道                    │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

权衡分析:

功能 PL (HLS) 实现 AIE 实现 本模块选择
数据搬运 擅长(直接 DDR 访问) 不擅长(需 PL 桥接) PL (datagen/s2mm)
向量化计算 中等(需手动 SIMD) 原生支持(AIE 向量单元) AIE (计算内核)
控制逻辑 灵活 受限(数据流导向) PL (系统控制)
RTP 访问 不可直接访问 原生支持 RTP 接口 AIE (RTP 参数)

设计洞察:这种分工遵循"各自做最擅长的事"的原则。PL 负责"高速公路建设"(数据搬运基础设施),AIE 负责"高速运算"(向量化算法)。RTP 作为跨越边界的控制通道,让主机能够动态调整 AIE 的运算行为。


关键设计模式与最佳实践

模式一:渐进式复杂度递增

本模块的四个子模块遵循渐进式学习曲线设计:

sync_rtp ──→ async_rtp ──→ async_array_rtp ──→ async_array_rtp_read
   │              │                  │                      │
   ▼              ▼                  ▼                      ▼
 基础概念      性能优化         批量数据处理           双向通信
 阻塞 API      非阻塞 API       数组类型 RTP          读写 RTP

教学价值:每个后续示例都建立在前一个的基础上,添加一个新概念。这种"螺旋式上升"的学习路径避免了认知过载,让开发者能够逐步构建心智模型。

模式二:配置与代码分离

本模块严格区分配置(什么)和代码(如何):

文件类型 职责 示例
.cfg(系统配置) 声明式定义系统拓扑 nk=s2mm:1:s2mm(实例化 s2mm 内核)
.cfg(HLS 配置) 指定综合约束 freqhz=400000000(400MHz 目标)
.cpp(HLS 源码) 实现内核行为 s2mm.cpp 中的数据搬运逻辑
.cpp(AIE 源码) 实现算法计算 AIE 内核的向量化处理
graph.cpp 定义 AIE 图连接 adf::connect 语句

设计价值:这种分离允许独立调整系统拓扑(修改 .cfg)而不触碰功能逻辑(.cpp),也允许独立优化功能实现(修改 .cpp)而不影响系统集成。

模式三:主机-加速器协同的三种范式

本模块展示了主机(ARM)与加速器(AIE)协同工作的三种范式演进:

范式一:主机主导(同步 RTP)

  • 主机决定何时更新参数,阻塞等待确认
  • 适用于:主机需要精确控制时序的场景
  • 类比:主人(主机)亲自给工人(AIE)递工具,看着工人接好才离开

范式二:流水线并行(异步 RTP)

  • 主机发起更新后立即继续其他工作
  • 适用于:主机有独立计算任务可与 RTP 传输重叠
  • 类比:主人把工具放在传送带上,工人稍后自取,主人去做其他事

范式三:协作计算(数组 RTP + 读回)

  • 主机批量更新参数,AIE 批量返回结果
  • 适用于:主机-AIE 协作的迭代算法(如自适应滤波、优化求解)
  • 类比:主人和工人之间有交换箱,双方各自放入/取走材料,无需等待对方

跨模块依赖与集成

上游依赖(本模块依赖)

本模块依赖于以下 Versal AIE 生态组件:

依赖模块 关系 用途
versal_integration_data_movers 复用模式 数据搬运内核(datagen/s2mm)的设计模式继承自该模块的基础数据搬运示例
normalization_v1_performance_flow API 参考 XRT RTP API 的使用模式参考了该模块的主机控制代码结构
aie_control_xrt.cpp(外部) 编译依赖 所有示例都链接/编译 aie_control_xrt.cpp,这是 XRT 控制 AIE 的标准样板代码

下游依赖(依赖本模块)

本模块作为教程,其设计模式被以下模块复用或扩展:

被依赖模块 关系 说明
packet_switching_and_streaming 模式扩展 该模块的包交换 RTP 更新机制基于本模块的异步 RTP 模式扩展
debug_emulation_and_performance_analysis 分析对象 性能分析教程使用本模块的示例作为 RTL/波形分析的目标设计

数据流跨模块边界

当本模块的设计集成到更大系统时,数据流跨越以下边界:

主机 DDR 内存
    │
    │ DMA (s2mm/datagen)
    ▼
PL (FPGA fabric) ────── AXI4-Stream ──────► AIE Array
    │                                            │
    │         RTP updates (via XRT)              │
    └────────────── 主机控制 ──────────────────────┘

关键集成点:

  1. DDR 接口:s2mm 内核通过 m_axi 接口写 DDR,主机通过 XRT 映射内存读取
  2. 流协议:PL 与 AIE 之间使用 AXI4-Stream,需确保 TLAST/TKEEP 信号正确
  3. RTP 通道:通过 XRT 的 graph.update_rtp() / graph.async_update_rtp() API
  4. 同步机制:AIE 图的 graph.run() / graph.wait() 协调主机与 AIE 执行

新贡献者指南

构建与运行

本模块使用 Vitis 工具链构建,典型的构建流程:

# 1. 设置环境
source /opt/xilinx/Vitis/2023.2/settings64.sh
source /opt/xilinx/xrt/setup.sh

# 2. 进入子模块目录(以 async_rtp 为例)
cd async_rtp/

# 3. 构建 AIE 图和 PL 内核
make all
# 或分步:
# make aie  - 编译 AIE 内核和图
# make pl   - 综合 HLS 内核
# make host - 编译主机控制应用
# make package - 打包 xclbin

# 4. 运行(硬件或仿真)
make run TARGET=hw_emu  # 硬件仿真
make run TARGET=hw      # 真实硬件

关键文件导航

每个子模块的典型文件结构:

submodule/
├── aie/
│   ├── graph.cpp          # AIE 图定义(ADF 连接)
│   ├── graph.h            # 图头文件(RTP 声明)
│   └── kernels/
│       ├── kernel.cpp       # AIE 内核实现(核心计算)
│       └── kernel.h         # 内核接口定义
├── pl_kernels/
│   ├── s2mm.cpp           # HLS: 流转内存内核
│   ├── datagen.cpp        # HLS: 数据生成内核
│   └── config.cfg         # HLS 综合配置(频率等)
├── system.cfg             # 系统集成配置(连接关系)
├── host/
│   └── main.cpp           # 主机控制应用
├── Makefile               # 构建规则
└── README.md              # 子模块说明文档

常见陷阱与调试技巧

陷阱一:RTP 更新时序不匹配

症状:AIE 内核似乎没有使用新参数,或者行为不一致。

根因:RTP 更新与数据流处理之间存在竞态条件。

解决:

  • 使用同步 API(update_rtp)确保时序
  • 或使用 async_update_rtp 后显式 wait() 在关键节点
  • 在 AIE 内核代码中使用 window_read 的同步语义
// 主机代码 - 安全的 RTP 更新序列
graph.run();           // 启动 AIE 图

// 方法 1: 同步更新(阻塞直到完成)
graph.update_rtp(coeff, new_coeffs);

// 方法 2: 异步更新 + 显式同步点
auto h = graph.async_update_rtp(coeff, new_coeffs);
// ... 做其他不依赖新系数的工作 ...
h.wait();  // 确保下一帧前更新完成

陷阱二:AXI4-Stream 接口协议不匹配

症状:仿真挂死(deadlock),或数据错位。

根因:PL 内核与 AIE 之间的 AXI4-Stream 协议不匹配(TLAST 处理、数据宽度、握手)。

检查点:

  • 确保 s2mm.cpp 正确处理 TLAST(通常用于标记包结束)
  • 确保数据宽度匹配(32/64/128 位)
  • 检查 hls::stream 的 depth 参数是否足够防止死锁
// s2mm.cpp - 正确处理 TLAST 的示例
void s2mm(ap_uint<32>* mem, hls::stream<ap_axis<32>>& s) {
    #pragma HLS INTERFACE m_axi port=mem bundle=gmem
    #pragma HLS INTERFACE axis port=s
    
    for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        #pragma HLS PIPELINE II=1
        ap_axis<32> tmp = s.read();
        mem[i] = tmp.data;
        // 检查 tmp.last 以检测传输结束(可选)
    }
}

陷阱三:HLS 时钟频率不匹配

症状:时序违例(timing violation),或硬件仿真失败。

根因:config.cfg 中指定的 HLS 目标频率与系统实际时钟不匹配。

本模块配置:

[hls]
freqhz=400000000  # 400 MHz

建议:

  • 确保 system.cfg 中的时钟约束与此一致
  • 如果修改为更高频率(如 500 MHz),需在 Vitis 链路阶段验证时序收敛

调试技巧:使用 XRT 剖析和波形

  1. 启用 XRT 剖析:

    export XCL_EMULATION_MODE=hw_emu
    export LD_LIBRARY_PATH=\(XILINX_XRT/lib:\)LD_LIBRARY_PATH
    xclbinutil --dump-section AIE_PARTITION:json:./aie_partition.json -i ./design.xclbin
    
  2. 查看波形:

    • 硬件仿真会生成波形文件(.wdb)
    • 使用 Vivado 或 xsim 查看 PL 信号
    • 使用 aiecompiler 生成的报告查看 AIE 状态
  3. RTP 调试打印:

    // 主机代码中添加日志
    std::cout << "Updating RTP at cycle: " << xrt::aie::time() << std::endl;
    graph.update_rtp(param, value);
    

总结与进一步学习

本模块的核心价值

rtp_reconfiguration_flows 模块不仅是一组教程,更是 Versal AIE 动态重配置能力的完整展示。它回答了以下关键架构问题:

  1. 如何在运行中调整 AIE 行为? → 通过 RTP 机制
  2. 如何平衡控制延迟和吞吐? → 同步 vs 异步 API 选择
  3. 如何批量更新复杂参数? → 数组 RTP 类型
  4. 如何实现双向通信? → RTP 读回机制

与其他 AIE 设计模式的关联

本模块的 RTP 机制与以下设计模式形成互补:

  • 与数据流图结合:RTP 提供控制平面,数据流提供数据平面,构成完整的控制-数据分离架构
  • 与包交换结合:packet_switching_and_streaming 模块展示了 RTP 如何在包交换架构中工作
  • 与多图组合结合:independent_graphs_composition 模块展示了 RTP 如何在多独立图系统中管理参数

生产环境迁移建议

当将这些教程概念应用于生产设计时,请考虑以下事项:

  1. RTP 更新频率:高频 RTP 更新(如每微秒一次)可能成为瓶颈。考虑批量更新或改用数据流传输。

  2. 参数一致性:当多个相关参数需要同时更新时,使用数组 RTP 确保原子性,避免中间状态。

  3. 错误处理:教程中通常省略了错误处理。生产代码应检查 xrt::aie::graph 和 RTP API 的返回状态。

  4. 时钟域交叉:RTP 更新通过 XRT 驱动,可能在不同时钟域操作。确保理解跨时钟域更新的延迟特性。

  5. 资源开销:每个 RTP 参数消耗 AIE 寄存器和 MMIO 空间。评估大量 RTP 参数的资源开销。


文档版本:1.0
最后更新:基于 Vitis 2023.2 工具链
维护团队:AIE Runtime and Platform Feature Tutorials

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