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2012年自考工學(xué)類(lèi)“操作系統(tǒng)原理”復(fù)習(xí)資料(2)

更新時(shí)間:2012-10-30 10:48:31 來(lái)源:|0 瀏覽0收藏0

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  本章考核知識(shí)點(diǎn):1.多道程序設(shè)計(jì)2.進(jìn)程3.進(jìn)程狀態(tài)4.進(jìn)程控制塊5.進(jìn)程隊(duì)列6.可再入程序7.中斷及中斷響應(yīng)8.中斷優(yōu)先級(jí)9.進(jìn)程調(diào)度自學(xué)要求:通過(guò)本章學(xué)習(xí)應(yīng)該掌握多道程序設(shè)計(jì)是如何提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)效率的;進(jìn)程與程序有什么區(qū)別;進(jìn)程的基本狀態(tài)以及狀態(tài)變化;進(jìn)程隊(duì)列及進(jìn)程調(diào)度策略;中斷的作用。

  重點(diǎn)是:多道程序設(shè)計(jì);進(jìn)程的定義和屬性;進(jìn)程調(diào)度策略。

  一、多道程序設(shè)計(jì)(領(lǐng)會(huì))

  1、什么是多道程序設(shè)計(jì)。

  讓多個(gè)計(jì)算問(wèn)題同時(shí)裝入一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存儲(chǔ)器并行執(zhí)行,這種設(shè)計(jì)技術(shù)稱(chēng)“多道程序設(shè)計(jì)”,這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱(chēng)“多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)”或簡(jiǎn)稱(chēng)“多道系統(tǒng)”。

  存儲(chǔ)保護(hù):在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,主存儲(chǔ)器中同時(shí)存放了多個(gè)作業(yè)的程序。為避免相互干擾,必須提供必要的手段使得在主存儲(chǔ)器中的各道程序只能訪(fǎng)問(wèn)自己的區(qū)域。這樣,每道程序執(zhí)行時(shí),都不會(huì)破壞其他各道的程序和數(shù)據(jù)。特別是當(dāng)某道程序發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí),也不至于影響其它的程序。

  程序浮動(dòng):在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,對(duì)程序有一些特殊要求,也就是說(shuō),程序可以隨機(jī)地從主存的一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)域,程序被移動(dòng)后仍絲毫不影響它的執(zhí)行,這種技術(shù)稱(chēng)為“程序浮動(dòng)”。

  在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,有三點(diǎn)基本要求:

  用“存儲(chǔ)保護(hù)”的方法保證各道程序互不侵犯;

  用“程序浮動(dòng)”技術(shù)讓程序能靈活地改變存放區(qū)域且能正確執(zhí)行;

  必須對(duì)資源按一定的策略分配和調(diào)度。

  2、多道程序設(shè)計(jì)利用了系統(tǒng)與外圍設(shè)備的并行工作能力,從而提高工作效率。具體表現(xiàn)為:

  提高了處理器的利用率;

  充分利用外圍設(shè)備資源:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置多種外圍設(shè)備,采用多道程序設(shè)計(jì)并行工作時(shí),可以將使用不同設(shè)備的程序搭配在一起同時(shí)裝入主存儲(chǔ)器,使得系統(tǒng)中各外圍設(shè)備經(jīng)常處于忙碌狀態(tài),系統(tǒng)資源被充分利用;

  發(fā)揮了處理器與外圍設(shè)備以及外圍設(shè)備之間的并行工作能力;

  從總體上說(shuō),采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后,可以有效地提高系統(tǒng)中資源的利用率,增加單位時(shí)間內(nèi)的算題量,從而提高了吞吐率。

  3、多道程序設(shè)計(jì)對(duì)算題量和算題時(shí)間的影響。采用多道程序設(shè)計(jì)能改變系統(tǒng)資源的使用情況,提高系統(tǒng)效率。但是應(yīng)注意以下兩個(gè)問(wèn)題:

  可能延長(zhǎng)程序的執(zhí)行時(shí)間;

  并行工作道數(shù)與系統(tǒng)效率不成正比。從表面上看,增加并行工作道數(shù)就可提高系統(tǒng)效率,但實(shí)際上并行工作道數(shù)與系統(tǒng)效率是不成正比,因?yàn)椴⑿械牡罃?shù)要根據(jù)系統(tǒng)配置的資源和用戶(hù)對(duì)資源的要求而定:

  (1)主存儲(chǔ)器的大小限制了可同時(shí)裝入的程序數(shù)量;

  (2)外圍設(shè)備的數(shù)量也是一個(gè)制約條件;

  (3)多個(gè)程序同時(shí)要求使用同一資源的情況也會(huì)經(jīng)常發(fā)生。

  總之,多道程序設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)資源的使用效率,增加單位時(shí)間的算題量;但是對(duì)每個(gè)計(jì)算問(wèn)題來(lái)說(shuō),從算題開(kāi)始到全部完成所需要的時(shí)間可能延長(zhǎng),另外在確定并行工作道數(shù)時(shí)應(yīng)綜合系統(tǒng)的資源配置和用戶(hù)對(duì)資源的要求。

  二、進(jìn)程(領(lǐng)會(huì))

  1、進(jìn)程的定義:把一個(gè)程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行稱(chēng)為一個(gè)“進(jìn)程”。

  2、進(jìn)程是由程序、數(shù)據(jù)集和進(jìn)程控制塊三部分組成。

  我們舉一個(gè)例子,比如在有一個(gè)用戶(hù)程序notepad.exe(記事本),當(dāng)它存放在磁盤(pán)上時(shí),就是一個(gè)程序,在windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行它時(shí),就會(huì)在內(nèi)存中建立一個(gè)記事本程序的進(jìn)程,而我們?cè)谟浭卤局芯庉嫷漠?dāng)前文字就是這個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)集,操作系統(tǒng)會(huì)為當(dāng)前的進(jìn)程設(shè)置一個(gè)進(jìn)程控制塊。如果我們?cè)俅蜷_(kāi)一個(gè)記事本程序的窗口,就會(huì)建立另一個(gè)進(jìn)程,此時(shí)運(yùn)行的是同一個(gè)程序,但存在兩個(gè)進(jìn)程,第二個(gè)窗口中的編輯內(nèi)容就是第二個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)集。

  3、進(jìn)程與程序的區(qū)別及關(guān)系。程序是靜止的,進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。進(jìn)程包括程序和程序處理的對(duì)象(數(shù)據(jù)集),進(jìn)程能得到程序處理的結(jié)果。進(jìn)程和程序并非一一對(duì)應(yīng)的,一個(gè)程序運(yùn)行在不同的數(shù)據(jù)集上就構(gòu)成了不同的進(jìn)程。通常把進(jìn)程分為“系統(tǒng)進(jìn)程”和“用戶(hù)進(jìn)程”兩大類(lèi),把完成操作系統(tǒng)功能的進(jìn)程稱(chēng)為系統(tǒng)進(jìn)程,而完成用戶(hù)功能的進(jìn)程則稱(chēng)為用戶(hù)進(jìn)程。

  三、進(jìn)程狀態(tài)(領(lǐng)會(huì))

  1、進(jìn)程的三種基本狀態(tài)。通常,根據(jù)進(jìn)程執(zhí)行過(guò)程中不同時(shí)刻的狀態(tài),可歸納為三種基本狀態(tài):

  。等待態(tài):等待某個(gè)事件的完成;

  。就緒態(tài):等待系統(tǒng)分配處理器以便運(yùn)行;

  。運(yùn)行態(tài):占有處理器正在運(yùn)行。

  2、進(jìn)程的狀態(tài)變化

  進(jìn)程在執(zhí)行中狀態(tài)會(huì)不斷地改變,每個(gè)進(jìn)程在任何時(shí)刻總是處于上述三種基本狀態(tài)的某一種基本狀態(tài),進(jìn)程狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示:

  運(yùn)行態(tài)→等待態(tài)往往是由于等待外設(shè),等待主存等資源分配或等待人工干預(yù)而引起的。

  等待態(tài)→就緒態(tài)則是等待的條件已滿(mǎn)足,只需分配到處理器后就能運(yùn)行。

  運(yùn)行態(tài)→就緒態(tài)不是由于自身原因,而是由外界原因使運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程讓出處理器,這時(shí)候就變成就緒態(tài)。例如時(shí)間片用完,或有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程來(lái)?yè)屨继幚砥鞯取?/P>

  就緒態(tài)→運(yùn)行態(tài)系統(tǒng)按某種策略選中就緒隊(duì)列中的一個(gè)進(jìn)程占用處理器,此時(shí)就變成了運(yùn)行態(tài)。

  進(jìn)程有四個(gè)基本屬性:

  。多態(tài)性從誕生、運(yùn)行,直至消滅。

  。多個(gè)不同的進(jìn)程可以包括相同的程序

  。三種基本狀態(tài)它們之間可進(jìn)行轉(zhuǎn)換

  。并發(fā)性并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程輪流占用處理器

  四、進(jìn)程控制塊(領(lǐng)會(huì))

  1、進(jìn)程控制塊的基本內(nèi)容。通常進(jìn)程控制塊包含四類(lèi)信息:

  。標(biāo)志信息含唯一的進(jìn)程名

  。說(shuō)明信息有進(jìn)程狀態(tài)、等待原因、進(jìn)程程序存放位置和進(jìn)程數(shù)據(jù)存放位置

  ?,F(xiàn)場(chǎng)信息包括通用、控制和程序狀態(tài)字寄存器的內(nèi)容

  。管理信息存放程序優(yōu)先數(shù)和隊(duì)列指針

  2、進(jìn)程控制塊的作用

  進(jìn)程控制塊(ProcessControlBlock,簡(jiǎn)稱(chēng)PCB),是操作系統(tǒng)為進(jìn)程分配的用于標(biāo)志進(jìn)程,記錄各進(jìn)程執(zhí)行情況的。進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的標(biāo)志,它記錄了進(jìn)程從創(chuàng)建到消亡動(dòng)態(tài)變化的狀況,進(jìn)程隊(duì)列實(shí)際也是進(jìn)程控制塊的鏈接。操作系統(tǒng)利用進(jìn)程控制塊對(duì)進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。

  進(jìn)程控制塊的作用有:

  (1)記錄進(jìn)程的有關(guān)信息,以便操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度程序?qū)M(jìn)程進(jìn)行調(diào)度。這些信息包括標(biāo)志信息、說(shuō)明信息、現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息等;

  (2)標(biāo)志進(jìn)程的存在,進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志

  五、進(jìn)程隊(duì)列(領(lǐng)會(huì))

  1、進(jìn)程隊(duì)列的鏈接。

  在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中往往會(huì)同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程。在單處理器的情況下,每次只能讓一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行,其他的進(jìn)程處于就緒狀態(tài)或等待狀態(tài)。為了便于管理,經(jīng)常把處于相同狀態(tài)的進(jìn)程鏈接在一起,稱(chēng)“進(jìn)程隊(duì)列”,由于進(jìn)程控制塊能標(biāo)志進(jìn)程的存在和動(dòng)態(tài)刻畫(huà)進(jìn)程的特性,因此,進(jìn)程隊(duì)列可以用進(jìn)程控制塊的連接來(lái)形成。鏈接的方式有兩種:?jiǎn)蜗蜴溄雍碗p向鏈接。

  2、進(jìn)程基本隊(duì)列

  就緒隊(duì)列:由若干就緒進(jìn)程按一定次序鏈接起來(lái)的隊(duì)列。

  等待隊(duì)列:把等待資源或等待某些事件的進(jìn)程排列的隊(duì)列

  3、進(jìn)程的入隊(duì)和出隊(duì)。

  出隊(duì)和入隊(duì):當(dāng)發(fā)生的某個(gè)事件使一個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),這個(gè)進(jìn)程就要退出所在的某個(gè)隊(duì)列而排入到另一個(gè)隊(duì)列中去。

  出隊(duì):一個(gè)進(jìn)程從所在的隊(duì)列退出的操作稱(chēng)為出隊(duì)

  入隊(duì):一個(gè)進(jìn)程排入到一個(gè)指定的隊(duì)列的操作稱(chēng)為入隊(duì)。

  系統(tǒng)中負(fù)責(zé)進(jìn)程入隊(duì)和出隊(duì)的工作稱(chēng)為隊(duì)列管理。

  無(wú)論單向鏈接還是雙向鏈接,解決入,出隊(duì)問(wèn)題,都是首先找到該隊(duì)列的隊(duì)首指針,沿鏈找出要入隊(duì)的進(jìn)程以及它要插入的位置,或找出要出隊(duì)的進(jìn)程,然后修改本進(jìn)程指針(入隊(duì)情況)和相鄰進(jìn)程的有關(guān)指針值即可。

  六、可再入程序(識(shí)記)

  (1)什么是可再入程序。一個(gè)能被多個(gè)用戶(hù)同時(shí)調(diào)用的程序稱(chēng)做“可再入”的程序。

  (2)可再入程序的性質(zhì)。

  可再入程序必須是純代碼,在執(zhí)行時(shí)自身不改變;

  一個(gè)可再入程序要求調(diào)用者提供工作區(qū),以保證程序以同樣方式為各用戶(hù)服務(wù)。

  編譯程序和操作系統(tǒng)程序通常都是“可再入”程序,能同時(shí)被不同用戶(hù)調(diào)用而構(gòu)成不同的進(jìn)程。

  七、中斷及中斷響應(yīng)(領(lǐng)會(huì))

  1、中斷的定義。

  一個(gè)進(jìn)程占有處理器運(yùn)行時(shí),由于自身或者外界的原因(出現(xiàn)了事件)使運(yùn)行被打斷,讓操作系統(tǒng)處理所出現(xiàn)的事件,到適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再讓被打斷的進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“中斷”。

  2、中斷的類(lèi)型。

  從中斷事件的性質(zhì)出發(fā),中斷可以分為兩大類(lèi):

  。強(qiáng)迫性中斷事件包括硬件故障中斷,程序性中斷,外部中斷和輸入輸出中斷等

  。自愿性中斷事件是由正在運(yùn)行的進(jìn)程執(zhí)行一條訪(fǎng)管指令用以請(qǐng)求系統(tǒng)調(diào)用而引起的中斷,這種中斷也稱(chēng)為“訪(fǎng)管中斷”。

  自愿中斷的斷點(diǎn)是確定的,而強(qiáng)迫性中斷的斷點(diǎn)可能發(fā)生在任何位置。

  3、中斷的響應(yīng)和處理。

  中斷響應(yīng)(硬件即中斷裝置操作)

  處理器每執(zhí)行一條指令后,硬件的中斷位置立即檢查有無(wú)中斷事件發(fā)生,若有中斷事件發(fā)生,則暫?,F(xiàn)行進(jìn)程的執(zhí)行,而讓操作系統(tǒng)的中斷處理程序占用處理器,這一過(guò)程稱(chēng)為“中斷響應(yīng)”。

  中斷響應(yīng)過(guò)程中,中斷裝置要做以下三項(xiàng)工作:

  是否有中斷事件發(fā)生

  判別自愿性中斷,只要檢查操作碼是否為訪(fǎng)管指令。

  判別強(qiáng)迫性中斷,則要檢查中斷寄存器內(nèi)容。若為0,則無(wú)中斷;若非0,則表示有中斷事件發(fā)生。

  若有中斷發(fā)生,保護(hù)斷點(diǎn)信息

  每個(gè)程序都有一個(gè)程序狀態(tài)字(PSW)來(lái)反映本狀態(tài)的執(zhí)行狀態(tài),如基本狀態(tài)、中斷碼和中斷屏蔽位等內(nèi)容。處理器設(shè)有一個(gè)“程序狀態(tài)字寄存器”用來(lái)存放當(dāng)前運(yùn)行程序的PSW.程序狀態(tài)字可分為當(dāng)前PSW、舊PSW和新PSW.

  當(dāng)出現(xiàn)中斷事件后,把被中斷進(jìn)程的PSW保存為舊PSW,即完成斷點(diǎn)信息保護(hù)。

  啟動(dòng)操作系統(tǒng)的中斷處理程序工作

  中斷裝置通過(guò)“交換PSW”過(guò)程完成此項(xiàng)任務(wù),即把出現(xiàn)的中斷事件存放到當(dāng)前PSW中斷碼位置,然后把該當(dāng)前PSW保存為舊PSW,再把操作系統(tǒng)中斷處理程序的新PSW送到程序狀態(tài)字寄存器中,成為當(dāng)前的PSW.

  中斷處理(軟件即操作系統(tǒng)操作)

  操作系統(tǒng)的中斷處理程序?qū)χ袛嗍录M(jìn)行處理時(shí),大致要做三方面的工作:

  保護(hù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)信息

  把中斷時(shí)的通用寄存器,控制寄存器內(nèi)容及舊PSW保存到被中斷進(jìn)程的進(jìn)程控制塊中。

  分析中斷原因

  根據(jù)舊PSW的中斷碼可知發(fā)生該中斷的具體原因。

  處理發(fā)生的中斷事件

  一般只做一些簡(jiǎn)單處理,在多數(shù)情況下把具體的處理交給其他程序模塊去做。

  八、中斷優(yōu)先級(jí)和中斷屏蔽(識(shí)記)

  1、中斷優(yōu)先級(jí)是硬件設(shè)計(jì)時(shí)確定的。中斷裝置按預(yù)定的順序來(lái)響應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)的中斷事件,這個(gè)預(yù)定的順序稱(chēng)為“中斷優(yōu)先級(jí)”。中斷優(yōu)先級(jí)是按中斷事件的重要性和緊迫程度來(lái)確定的,是由硬件設(shè)計(jì)時(shí)固定下來(lái)的。一般情況下,優(yōu)先級(jí)的高低順序依次為:硬件故障中斷、自愿中斷、程序性中斷,外部中斷和輸入輸出中斷。

  2、中斷的嵌套處理

  3、中斷屏蔽的作用。中斷優(yōu)先級(jí)只是規(guī)定了中斷裝置響應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)的中斷的次序,當(dāng)中斷裝置響應(yīng)了某個(gè)中斷后中斷處理程序在進(jìn)行處理時(shí),中斷裝置也可能去響應(yīng)另一個(gè)中斷事件。因此會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)低的中斷事件的處理打斷優(yōu)先級(jí)高的中斷事件的處理,使得中斷事件的處理順序與響應(yīng)順序不一致,而且會(huì)形成多重嵌套處理,使多現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、程序返回等工作變的復(fù)雜。

  中斷屏蔽技術(shù)就是為了解決上述問(wèn)題而提出的在一個(gè)中斷處理沒(méi)有結(jié)束之前不響應(yīng)其他中斷事件,或者只響應(yīng)比當(dāng)前級(jí)別高的中斷事件。于是,當(dāng)中斷裝置檢查到有中斷事件后,便去查看PSW中中斷屏蔽標(biāo)志,如果沒(méi)有屏蔽就響應(yīng)該中斷;否則,暫時(shí)不響應(yīng)該中斷,待屏蔽標(biāo)志消除后再響應(yīng)。自愿中斷是不能屏蔽的。

  九、進(jìn)程調(diào)度(領(lǐng)會(huì))

  1、進(jìn)程調(diào)度的職責(zé)。按選定的進(jìn)程調(diào)度算法從就緒隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程,讓它占用處理器。

  2、選擇進(jìn)程調(diào)度算法的幾個(gè)準(zhǔn)則:

  。提高處理器利用率

  。增大吞吐量

  。減少等待時(shí)間

  ??s短響應(yīng)時(shí)間

  3、進(jìn)程調(diào)度的常用算法:先來(lái)先服務(wù)、優(yōu)先數(shù)法、輪轉(zhuǎn)法、分級(jí)調(diào)度。

  先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法該算法按進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列的先后次序選擇可以占用處理器的進(jìn)程。

  優(yōu)先數(shù)調(diào)度算法對(duì)每個(gè)進(jìn)程確定一個(gè)優(yōu)先數(shù),該算法總是讓優(yōu)先數(shù)最高的進(jìn)程先使用處理器。對(duì)具有相同優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程,再采用先來(lái)先服務(wù)的次序分配處理器。系統(tǒng)常以任務(wù)的緊迫性和系統(tǒng)效率等因素確定進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)。進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)可以固定的,也可隨進(jìn)程執(zhí)行過(guò)程動(dòng)態(tài)變化。一個(gè)高優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程占用處理器后,系統(tǒng)處理該進(jìn)程時(shí)有兩種方法,一是“非搶占式”,另一種是“可搶占式”。前者是此進(jìn)程占用處理器后一直運(yùn)行到結(jié)束,除非本身主動(dòng)讓出處理器,后者則是嚴(yán)格保證任何時(shí)刻總是讓優(yōu)先數(shù)最高的進(jìn)程在處理器上運(yùn)行。

  時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法把規(guī)定進(jìn)程一次使用處理器的最長(zhǎng)時(shí)間稱(chēng)為“時(shí)間片”。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法讓就緒進(jìn)程按就緒的先后次序排成隊(duì)列,每次總選擇該隊(duì)列中第一個(gè)進(jìn)程占用處理器,但規(guī)定只能使用一個(gè)時(shí)間片,如該進(jìn)程尚未完成,則排入隊(duì)尾,等待下一個(gè)供它使用的時(shí)間片。各個(gè)進(jìn)程就這樣輪轉(zhuǎn)運(yùn)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法經(jīng)常用于分時(shí)操作系統(tǒng)中。

  分級(jí)調(diào)度算法由系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)就緒隊(duì)列,每個(gè)就緒隊(duì)列中的進(jìn)程按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法占用處理器,這就是分級(jí)調(diào)度算法。

  4、進(jìn)程的切換進(jìn)程調(diào)度將從就緒隊(duì)列中另選一個(gè)進(jìn)程占用處理器,使一個(gè)進(jìn)程讓出處理器,由另一個(gè)進(jìn)程占用處理器的過(guò)程稱(chēng)“進(jìn)程切換”。

  若有一個(gè)進(jìn)程從運(yùn)行態(tài)變成等待態(tài),或完成工作后就撤消,則必定會(huì)發(fā)生進(jìn)程切換。若一個(gè)進(jìn)程從運(yùn)行態(tài)或等待態(tài)變成就緒態(tài),則不一定發(fā)生進(jìn)程切換。

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