張 亮
摘要:本文研究分析了國(guó)內(nèi)“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”相關(guān)課程的開(kāi)設(shè)情況,提出應(yīng)用EDA技術(shù),從實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革、實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟硬件設(shè)備及教材的建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織方式等幾個(gè)方面實(shí)施改革的設(shè)想,并介紹了實(shí)施效果和實(shí)施過(guò)程中亟待改進(jìn)的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)組成原理;EDA技術(shù);課程設(shè)計(jì)
中圖分類(lèi)號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
1背景
“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)階段的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程“計(jì)算機(jī)組成原理”的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其先修課有“數(shù)字邏輯”及其實(shí)驗(yàn),其后繼課程有“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”,“編譯技術(shù)”,“接口與通訊技術(shù)”等。
本課程起著承上啟下的重要作用,通過(guò)本課程的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn),使同學(xué)進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)各部件的基本原理和結(jié)構(gòu),掌握計(jì)算機(jī)各部件的基本設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)方法,幫助同學(xué)建立計(jì)算機(jī)時(shí)間—空間的整體概念,鞏固課堂知識(shí),初步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和分析解決問(wèn)題能力。
但是以前的教學(xué)實(shí)踐中在CPU硬件設(shè)計(jì)這一重要內(nèi)容方面存在不足。CPU、DSP處理器乃至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)及相關(guān)課程隨著新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該成為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)中重要的組成部分,計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)對(duì)于軟硬件綜合設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)是責(zé)無(wú)旁貸的,也是本專(zhuān)業(yè)的特色與亮點(diǎn)。作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的人員,如果只會(huì)使用計(jì)算機(jī)而不會(huì)設(shè)計(jì)CPU 和計(jì)算機(jī),那么和其他專(zhuān)業(yè)比較就沒(méi)有優(yōu)勢(shì),不符合計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的辦學(xué)宗旨而缺失市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性。
調(diào)研表明,國(guó)內(nèi)大多高校僅將“計(jì)算機(jī)組成原理”定位為“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”和計(jì)算機(jī)模型認(rèn)知的層面上;而在實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐方面,“計(jì)算機(jī)組成原理”的實(shí)驗(yàn)則主要是在一些由分離元件構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,完成簡(jiǎn)單模型CPU的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),基本談不上設(shè)計(jì)。這顯然難以滿(mǎn)足教育部在《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作,提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》中關(guān)于“高等學(xué)校要重視本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),保證實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)出率達(dá)到本科教學(xué)合格評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),并開(kāi)出一批新的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”的要求。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,核心技術(shù)已經(jīng)愈來(lái)愈集中在集成電路芯片和軟件這兩項(xiàng)之中,其中CPU 和OS設(shè)計(jì)技術(shù)是最核心的兩項(xiàng)技術(shù),特別是高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)一直是衡量國(guó)家實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。美國(guó)、日本和西歐等國(guó)都作為一種國(guó)家行為,不斷加大這方面的資助力度。美國(guó)的許多高校本科計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)中也都安排了CPU 設(shè)計(jì)方面的課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,例如麻省理工學(xué)院的一門(mén)相關(guān)課程是“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中,須自主完成(即自行設(shè)計(jì))ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU,乃至實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)32位MIPS CPU和Cache的設(shè)計(jì)。斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系的本科生也有相似的課程和實(shí)驗(yàn),即“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”課,實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以各自獨(dú)立的形式,用VHDL語(yǔ)言自主實(shí)現(xiàn)CPU、VGA顯示控制模塊等接口,并最后實(shí)現(xiàn)于FPGA中,及完成軟硬件調(diào)試。此外,如加利福尼亞大學(xué)和伯克利大學(xué)等學(xué)校在基于FPGA 的超級(jí)計(jì)算機(jī)研制方面都實(shí)現(xiàn)了大量成果。因此我們有必要向國(guó)外的先進(jìn)教學(xué)實(shí)踐學(xué)習(xí),應(yīng)用EDA技術(shù)改革“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。
2改革目標(biāo)
基于以上問(wèn)題的考慮,學(xué)院計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)組經(jīng)過(guò)調(diào)查研究,深入討論,決定改變基于小型模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,采用基于硬件描述語(yǔ)言方式,通過(guò)讓學(xué)生實(shí)際進(jìn)行計(jì)算機(jī)各個(gè)組成部件的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。
為了更好地貫徹學(xué)院的本科教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃,培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí),具有創(chuàng)新意識(shí),善于自主學(xué)習(xí),實(shí)踐能力較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才,我們提出了“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的下列改革目標(biāo)。
2.1與基于EDA的現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)接軌
首先,在“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”中增加向工程實(shí)際轉(zhuǎn)化的符合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)J街须m也有“設(shè)計(jì)”內(nèi)容,但主要是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各自規(guī)定的方法,用既定的分離元件和接口器件進(jìn)行拼裝搭接而成,學(xué)生無(wú)法從這樣的“設(shè)計(jì)”過(guò)程中了解真實(shí)的現(xiàn)代實(shí)用CPU基本設(shè)計(jì)技術(shù)。
其次,使學(xué)生在了解計(jì)算機(jī)組成原理和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的同時(shí),學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)。計(jì)算機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)技能是一個(gè)合格的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生本應(yīng)具備的基本知識(shí),離開(kāi)了硬件設(shè)計(jì),自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)便無(wú)從談起。以前不少計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生只將注意力和興趣集中在各種編程環(huán)境、開(kāi)發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)上面,對(duì)于硬件技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用研究不感興趣或忘而生畏,培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)技術(shù),能從根本上解決這個(gè)問(wèn)題。
2.2培養(yǎng)創(chuàng)造能力
從創(chuàng)造能力培養(yǎng)的角度看,軟件設(shè)計(jì)人員只須擁有邏輯上的單向一維思維能力就能保證軟件設(shè)計(jì)的成功,即過(guò)量單純的軟件設(shè)計(jì),不斷強(qiáng)化設(shè)計(jì)者純邏輯性思維和收斂性思維。顯然,這與培養(yǎng)植根于多維多向的發(fā)散性思維方式和非邏輯思維方式的創(chuàng)造能力是相違背的。因此,多數(shù)純軟件設(shè)計(jì)訓(xùn)練只能歸類(lèi)為技能性和知識(shí)性訓(xùn)練。
硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)則不同。首先,硬件系統(tǒng)可以有許多相關(guān)或互為獨(dú)立的模塊組成,相關(guān)模塊的關(guān)系可以是同步,也可以是異步。其次,硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身并不能離開(kāi)軟件設(shè)計(jì),因此硬件系統(tǒng)的構(gòu)建是一個(gè)軟硬綜合的并發(fā)系統(tǒng),設(shè)計(jì)和把握它自然必須擁有并發(fā)和多維的思想方法。例如在時(shí)序問(wèn)題和競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)問(wèn)題的解決上有時(shí)還可能用上非邏輯思維方法。而Verilog HDL語(yǔ)言正是描述和設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,它的語(yǔ)句都是并發(fā)的,甚至包括進(jìn)程中的順序語(yǔ)句。基于EDA技術(shù)和Verilog的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)訓(xùn)練無(wú)疑十分有利于強(qiáng)化發(fā)散性思維和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
3實(shí)施方案
3.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革
計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課多年來(lái)一直采用傳統(tǒng)的芯片搭電路的方法,此方法過(guò)于陳舊,限制了學(xué)生能動(dòng)性的發(fā)揮。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入現(xiàn)代EDA技術(shù)是必然趨勢(shì)。
在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中我們引入該技術(shù),采用先進(jìn)的虛擬設(shè)計(jì)及仿真軟件工具quartusII,結(jié)合GW48_SOPC實(shí)驗(yàn)箱,可以設(shè)計(jì)、仿真與硬件下載驗(yàn)證計(jì)算機(jī)的各功能部件。
3.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟硬件設(shè)備及教材的建設(shè)
EDA技術(shù)的發(fā)展已從根本上改變了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)模式,我們必須適應(yīng)這一趨勢(shì)。為此,在學(xué)院的大力支持下,我們建設(shè)了一個(gè)可以容納65人的計(jì)算機(jī)組成原理專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室,新購(gòu)置了65臺(tái)高性能的PC機(jī)及終端桌椅。另外,學(xué)院還將采購(gòu)65臺(tái)新型的基于FPGA芯片和EDA環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)臺(tái),該平臺(tái)已被國(guó)內(nèi)數(shù)十所大學(xué)采用。學(xué)院的EDA課程實(shí)驗(yàn)即采用類(lèi)似平臺(tái),兩年多的運(yùn)行證明性能良好。在實(shí)驗(yàn)軟件工具方面,我們緊跟國(guó)際步伐,引入了高級(jí)的虛擬設(shè)計(jì)與仿真軟件工具quartusII。
在教材的建設(shè)方面,我們經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐,在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方面有了一定的積累,但距離改革目標(biāo)還有很大的距離。為了促進(jìn)教學(xué)改革的進(jìn)一步深入開(kāi)展,我們將在原有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)的基礎(chǔ)上,增加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并系統(tǒng)整理與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL,quartusII使用手冊(cè)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)技術(shù)手冊(cè)。在此工作的基礎(chǔ)上,將形成“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”正式出版的配套教材。另外,我們還將結(jié)合多媒體技術(shù)開(kāi)發(fā)新的教學(xué)課件,并建設(shè)相應(yīng)的課程網(wǎng)站,作為教學(xué)強(qiáng)有力的輔助手段。
3.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容根據(jù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)計(jì)劃大綱要求,結(jié)合工程實(shí)際來(lái)確實(shí),充分考慮了可操作性與可行性。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的最終目的是讓學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出CPU,但首先,學(xué)生必須初步掌握Verilog HDL硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言,學(xué)會(huì)使用quartusII設(shè)計(jì)工具,知道CPU的各個(gè)功能部件如何工作,以及相互之間是如何配合構(gòu)成CPU的。
因此,為滿(mǎn)足教學(xué)需要,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容將采用由基本到綜合的方式逐層開(kāi)展,“必修實(shí)驗(yàn)+選修實(shí)驗(yàn)+綜合實(shí)驗(yàn)”相結(jié)合的方式。首先,設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的CPU實(shí)驗(yàn)方案,然后再將這個(gè)CPU分解出一套功能部件實(shí)驗(yàn),包括:總線(xiàn)傳輸實(shí)驗(yàn)、運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)、時(shí)序電路的組成、控制原理實(shí)驗(yàn)、微程序控制器實(shí)驗(yàn)等。必修實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要由這些功能部件實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ),同時(shí)增加大量相關(guān)的其他實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為選修實(shí)驗(yàn)以供學(xué)生選擇,滿(mǎn)足不同層次的需要。必修實(shí)驗(yàn)完成的功能部件在綜合實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行組裝,形成一個(gè)完整的CPU。
3.4實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織方式
培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰驮O(shè)計(jì)創(chuàng)新能力是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目標(biāo)。為了貫徹這一指導(dǎo)思想,根據(jù)該實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn),課堂上教師只是啟發(fā)性地講解實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn),其余部分全部由學(xué)生獨(dú)立完成。每位學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)際能力在完成必修實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,還可選做選修實(shí)驗(yàn)以擴(kuò)大知識(shí)面加深理解,完成選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目者可適當(dāng)加分。
由于課程的學(xué)時(shí)數(shù)十分有限,因此我們要鼓勵(lì)學(xué)生在課后自己動(dòng)手完成大量的選修實(shí)驗(yàn),任課教師除上課時(shí)間外,每周還可以安排一次集中答疑時(shí)間,以解決學(xué)生在課外實(shí)踐中遇到的困難。
實(shí)驗(yàn)中的模塊我們只給出框圖,其具體內(nèi)容要求學(xué)生自己用電路圖或Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言完成。在編譯調(diào)試過(guò)程中遇到困難盡量由學(xué)生根據(jù)理論所學(xué)內(nèi)容自己解決,并記錄在實(shí)驗(yàn)日志中,讓教師充分了解每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。另外每個(gè)模塊可以設(shè)計(jì)一些障礙讓學(xué)生修改,提高他們的實(shí)驗(yàn)興趣。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排遵循驗(yàn)證與設(shè)計(jì)相結(jié)合,注重基礎(chǔ),突出應(yīng)用的原則。
課程嚴(yán)格遵循課前預(yù)習(xí)和設(shè)計(jì)(電路圖和Verilog程序)、課上調(diào)試(實(shí)驗(yàn)日志記錄)和驗(yàn)收、課后完成報(bào)告的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。其中實(shí)驗(yàn)日志記錄是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié),它將貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段,體現(xiàn)學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)的情況,是學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)重要證明。實(shí)驗(yàn)日志按時(shí)間順序主要記錄:實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中遇到的問(wèn)題及解答;回答實(shí)驗(yàn)教材中以及教師課堂上提出的問(wèn)題。
3.5實(shí)施效果和亟待改進(jìn)的問(wèn)題
實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案從2007年春季開(kāi)始,已經(jīng)實(shí)施了兩個(gè)學(xué)期。總的來(lái)說(shuō),實(shí)施效果令人滿(mǎn)意,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 加深了學(xué)生對(duì)理論課的理解和學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)驗(yàn)課中,通過(guò)啟發(fā)性地講解實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn),使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撜n上學(xué)到的知識(shí)和具體的實(shí)驗(yàn)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。學(xué)生在理論課上學(xué)到的主要原理都能應(yīng)用于具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。而具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程反過(guò)來(lái)又能加深對(duì)原理的理解和認(rèn)識(shí)。兩者之間相輔相成,極大地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
(2) 調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的主觀(guān)能動(dòng)性。在實(shí)驗(yàn)課中,一方面教師只講解關(guān)鍵點(diǎn),這樣要完成實(shí)驗(yàn),學(xué)生就必須要自己去主動(dòng)的查閱相關(guān)資料;另一方面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置了綜合性實(shí)驗(yàn)和選做性實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)較多,教材中給的提示相對(duì)較少,學(xué)生往往需要費(fèi)一番周折,克服一些障礙,才可能完成實(shí)驗(yàn)。
(3) 大大減少抄襲作業(yè)的現(xiàn)象。以前經(jīng)常出現(xiàn)的抄襲作業(yè)現(xiàn)象,由于實(shí)驗(yàn)日志的出現(xiàn)而大大減少。實(shí)驗(yàn)日志記錄是實(shí)驗(yàn)完成過(guò)程的一個(gè)詳細(xì)記錄,是學(xué)生和教師共同完成的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)日志是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案的,每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)日志也不可能雷同,因而能有效地減少抄襲的出現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)不斷深入和發(fā)展的過(guò)程。在方案的實(shí)施過(guò)程中,也發(fā)現(xiàn)了不少亟待改進(jìn)的問(wèn)題,其中如何組織好教學(xué)內(nèi)容是至關(guān)重要的。一方面要在有限的課時(shí)內(nèi)將理論課中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)融入到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中,另一方面為了配合好先行和后續(xù)課程的教學(xué)內(nèi)容,還要將一些新的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融入進(jìn)來(lái)。這樣如何在不增加學(xué)時(shí)的前提下,將這兩部分內(nèi)容更加有機(jī)的組織起來(lái)是日后必須要解決的問(wèn)題。
4結(jié)束語(yǔ)
“計(jì)算機(jī)組成原理”課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革經(jīng)過(guò)兩學(xué)期的實(shí)踐摸索,已基本明確了今后進(jìn)一步展開(kāi)深入教學(xué)改革的方向和目標(biāo)。下一步將根據(jù)規(guī)劃好的改革方案,繼續(xù)實(shí)施各項(xiàng)改革內(nèi)容,朝著預(yù)期目標(biāo)邁進(jìn)。
相信在對(duì)課程進(jìn)行了上述改革后,必將極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,啟發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣,為培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí),具有創(chuàng)新意識(shí),善于自主學(xué)習(xí),實(shí)踐能力較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才奠定基礎(chǔ)。
科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,計(jì)算機(jī)技術(shù)更是日新月異。因此,“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式、方法也需不斷更新變化。改革是一個(gè)持續(xù)不斷的過(guò)程,需要我們不斷地研究與探索。
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