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  Inhalt:

        Prozessoren   von Thell Michael Inhalt:   Grundlegende Prozessor Kategorien Klassifizierungsmodelle CISC RISC POWER   Beurteilungs Methoden/Kriterien Interne Taktfrequenz Externe Taktfrequenz Cache Sockel maximale Register Breite Mips / SPECint / SPECfp spezielle Zusatzfähigkeiten   Gängige Prozessorfamilien Intel Kompatible Prozessor Familien x86er Serie Pentium Pentium Pro Pentium MMX Pentium II Pentium II – Celeron Pentium II – Xeon AMD Cyrix   Markt Situation Preis Situation Preis / Leistung   Einsatzgebiete Normal Verbraucher Server Betrieb Hochleistungs Rechner       Grundlegende Prozessor Kategorien   Klassifizierungsmodelle Klassifizierung nach Neumann Der von-Neumann-Rechner besteht aus folgenden funktionalen Einheiten: Speicherwerk, das die Daten und die Programme enthält und in logische Einheiten bestimmter 'Breite' aufgeteilt ist. Ein wichtiges Merkmal der Neumann Struktur ist der gemeinsame Speicher für beide Informationsarten. Rechenwerk (ALU - Arithmetic Logic Unit), das die arithmetische, logischen und Shift-Operationen beherrscht und einen Akkumulator (AKKU) und mindestens einen weiteren Register (Multiplikandenregister) enthält. Die ALU ist das eigentliche Zugpferd des Prozessors, das die Algorithmen abarbeitet. Leitwerk (CU - Control Unit), das die Befehlsentschlüsselung und die Steuerung der Befehlsausführung übernimmt und das Befehlsregister und den Befehlszähler (PC -- Programm Counter) beinhaltet. Ein-/Ausgabewerk, das den Transfer der Programme und Daten von und an die Externspeichereinheiten übernimmt.

Diese vier Komponenten sind durch einen Systembus und einen Steuerbus miteinander verbunden. Der Systembus übernimmt den Transport von Daten und Programmbefehlen zwischen den Einheiten. Beim Systembus unterscheidet man zwischen einem Datenbus und einem Adressbus. Der Datenbus überträgt die eigentlichen Informationen, die vom Adressbus referenziert werden.   Klassifizierung nach Flynn   Die Rechnerklassifikation nach Flynn wurde zwar 1966 entwickelt, sie ist aber bis heute die verbreitetste und universellste Klassifikationsmethode geblieben. Das hängt von ihrer Einfachheit und der Beschränkung der Beschreibung auf die Befehls- und Datenströme ab.

Unter einem Befehlsstrom versteht man Maschienenbefehle, die vom Hauptspeicher in das Leitwerk gelangen, und von dort als entschlüsselte Steuerinformationen an das Rechenwerk weitergeleitet werden. Unter einem Datenstrom versteht man die Daten, die vom Rechenwerk bearbeitet und zwischen dem Speicher und den Prozessorregistern übertragen werden. Das Flynn'sche Klassifikationsschema gibt nun lediglich das einfache oder mehrfache Auftreten von Daten- und Befehlströmen an. Entsprechen gibt es nur vier Kombinationen von diesen Faktoren.   SISD Single Instruction Stream, Single Data Stream SIMD Single Instruction Stream, Multiply Data Stream MISD Multiply Instruction Stream, Single Data Stream MIMD Multiply Instruction Stream, Muliply Data Stream SISD Hierunter fallen alle IBM PC's (bis zum P5), Amigas, Ataris (bis inklusive 68040) und auch Mainframes aus den siebziger Jahren (IBM 360/91). Diese Einteilung ist möglich, da SISD nicht besagt, wie das interne Ablaufschema einer CPU aussieht, sondern lediglich wieviele CU's und ACU's integriert sind.

Deswegen ist es z.B. unwichtig, daß der 486er eine parallele Pipeline besitzt, die ihm erlaubt, mehrere Befehle pro Taktzyklus teilweise oder ganz auszuführen, denn es ist immer noch eine ACU, die die Befehle ausführt, ein Leitwerk, das den Ablauf kontrolliert, und ein Datenstrom, der abgearbeitet wird.   Die SIMD-Architektur Diese Rechnersysteme besitzen ebenfalls nur ein Leitwerk. Der vom Leitwerk entschlüsselte Befehl kann aber gleichzeitig auf mehrere Operanden in mehreren Rechenwerken angewandt werden. Das gleichzeitige Verteilen der Steuerinformationen auf mehrere Verarbeitungseinheiten nennt man Instruction Broadcasting.

Systeme mit solcher Struktur nennt man Arrayrechner oder Feldrechner (nicht Vektorrechner). Sie sind eine Erweiterung der von-Neumann-Struktur. Man setzt solche Systeme zur Lösung von vollständig parallesierbaren Aufgabentypen, wie z.B. in der Bildverarbeitung ein. Diese Spezialisierung ist zugleich das größte Manko dieser Systeme, so erreicht ILLIAC bei typischen Aufgaben mit seriellen Befehlsanteilen nur 1,5% der theoretischen Gesamtdurchsatzleistung.

Nur Aufgaben mit gleichen Operationen und Feldgrößen von können effizient berechnet werden.   MISD Bei diesem Rechner steuern mehrere Leitwerke die Bearbeitung eines Datenstroms, was auf den ersten Blick paradox erscheint. Man könnte es sich so vorstellen, daß mehrere Leitwerke oder Prozessoren Befehle auf einen Datenstrom, der fließbandartig vom Rechenwerk zu Rechenwerk verschoben wird, anwenden. Dieses Verschieben und Abarbeiten des Datenstroms zwischen und von mehreren Rechenwerken und Prozessoren nennt man Makro- oder Prozessorpipelining. Diese Betriebsart kann in MIMD Systemen gewählt werden, um ein Datenstrom von spezialisierten Einheiten ausführen zu lassen.   MIMD Systeme solcher Klassifikation haben mehrere Befehls- und Datenströme.


Häufig sind es mehrere Prozessoren, die zu einem Rechner zusammengefasst werden -- Multiprozessorsysteme. Der Aufbau solcher Systeme ist unterschiedlich. So kann ein MIMD-System aus mehreren SIMD oder SISD Rechnern bestehen. Dies ist ein gutes Konzept, um große Rechenleistungen zu erreichen, da bei solchen parallelisierten Strukturen meist keinerlei Festlegung auf die zu bearbeitende Problemstellung besteht, d.h., das System ist universell einsetzbar.

Des weiteren sind solche Rechner sehr leicht erweiterbar. Ein Beispiel dafür ist der von dem Amerikanischen Energieministerium bestellte Rechner aus 2345 Pentium Prozessoren, der angeblicherweise als erster die Teraflopgrenze überschreiten soll. Als existierendes Beispiel möchte ich den Parsytec GC (Grand Challenges) vorstellen. Dieser Rechner aus deutschem Hause ist seit 1991 erhältlich und ist ein „supermassiv paralleler Rechner mit bis zu 16384 Transputern und einer theoretischen Maximalleistung von 400 GigaFLOPS „.   Transputer Transputer sind ursprünglich eine Entwicklung der britischen Firma INMOS, später übernommen von SGS Thmoson. Sie sind ideale Prozessoren, um ein MIMD-System aufzubauen.

Sie haben On-Chip-RAM (2k bis n*100k), auf das ohne Waitstates zugegriffen werden kann, sechs Links mit einer Geschwindigkeit von 5, 10, 20 und 100Mbit, die eine schnelle und einfache Kommunikation zwischen den Transputern ermöglichen. Sie sind über diese Links „bootbar“, haben DMA, MMU, Speicher und Interruptkontroller On-Chip. Eigentlich brauchen sie nur Strom, um arbeiten zu können. Ein T9000 Transputer mit 50 MHz Taktfrequenz hat eine Rechenleistung von 200 native MIPS und 25 MFLOPS. Seine Befehle sind grundsätzlich 4 Bit breit. Längere Befehle bzw.

Daten werden durch Aneinanderkettung erzeugt. Er ist vor allem durch seine seriellen Links und die einfache Handhabung für den Aufbau parallel arbeitender Netzwerke geeignet.     CISC - Complex Instruction Set Computer   In den siebziger Jahren versuchte man eine größere Performance durch die Verlagerung der Aufgaben in den Prozessor zu erreichen. So entstanden Prozessoren mit riesigem Befehlssatz und verschiedenen Datentypen und Adressierungsarten. Man versprach sich davon eine optimierte Codeproduktion durch den Compiler, kürzere Programme und schnellere Ausführungszeiten. Ein Beispiel dafür ist der 68020, mit Befehlen von einem Byte Länge bis zur 11 Byte und einer CU, die 60% der Chipfläche einnimmt.

Da zu jener Zeit das Mikroprogrammwerk der Prozessoren um ein vielfaches schneller als der Hauptspeicher war, bedeutete das keinen Nachteil für die CISC-Rechner. Erst als die Speicherbausteine schnell und billig wurden, und damit der Geschwindigkeitsvorteil von Mikroprogrammen gegenüber Assemblerprogrammen verlorenging, zeichneten sich eine Kehrtwende im Prozessorbau an. Sie wurde von Studien der Prozessorhersteller DEC und IBM unterstützt, die besagen, daß man eine Laufzeit des Code verbessern kann, indem man dem Compiler nur ein Bruchteil des Befehlssatzes überläßt. Die Analyse der gängiger Programme zeigte, daß die Compiler einen Code erzeugten, der nur in sehr kleinem Umfang prozessorspezifische Befehle benutzt. Ein Grund dafür ist die angestrebte Portierbarkeit. Des weiteren ergeben sich bei CISC-Maschinen Probleme rein technischer Natur.

So steigt der Aufwand z.B. für die Verwaltung einer Pipeline überproportional mit der Anzahl der Befehle. Befehl Relative Häufigkeit Bedingte Sprünge 11% Unbedingte Sprünge 1% Load 18% Store 8% Arithmetik 39% Rest 23%   Typische Vertreter: Intel Prozessorfamilie 80x86er bis einschließlich (Pentium).     RISC - Reduced Instruction Set Computer   Die Folge war, daß man Prozessoren mit einigen wenigen, wirklich notwendigen Befehlen baute. Kriterien der RISC-Maschienen: Ausführung nahezu aller Maschinenbefehle in einem Taktzyklus Hauptspeicherzugriffe erfolgen nur mittels der Befehle Load und Store.

Alle anderen Operationen werden allein auf die Registeroperanden ausgeführt. Weniger Befehlstypen und Adressierungsarten. Konzentration auf wirklich erforderliche und einfach zu realisierende Befehlstypen und Adressierungsmodi. Möglichst einheitliches Befehlsformat mit gleichbleibender inhaltlicher Bedeutung der Bitfelder. Möglichst geringes Decodierungsformat für alle Befehle. Verzicht auf Mikrobefehlsebene.

Die Operationssteurung des Leitwerks wird durch fest verdrahtete Hardware realisiert. Verringerung der Hardware-Komplexität durch Arbeitsverlagerung in den Compiler. Delegation von Steuerungsaufgaben an optimierende Compiler. Streben nach einfachen regulären Hardwarestrukturen auf dem Chip und Verringerung der Anzahl der für die CPU erforderlichen Transistorfunktionen.   Ein weiteres Merkmal der RISC-Prozessoren ist die große Anzahl von Registern. Um der Software zu helfen so viele Register sinnvoll auszulasten, stellt man jedem Codestück (Prozedur) oder Task ein Registerfenster aus 8 lokalen Register, 8 Ausgaberegister und 8 Eingaberegister zur Verfügung.

Die Eingaberegister überlappen mit den Ausgaberegistern des nächsten Registerfensters. Damit kann man z.B. Parameter zum Unterprogramm übergeben, ohne dabei auf den Stack, der sich im Hauptspeicher befindet, zu schreiben. Der Taskwechsel gestaltet sich auch einfacher, da nur der Zeiger auf das aktuelle Fenster erhöht oder erniedrigt werden muß. Die Trennung vom Befehls und Datenstrom ist in den RISC-Architekturen auch häufig vorzufinden.

Dies geschieht, um die hohen Speicherbandbreiten zu senken. So wird auch beim Pentium der Daten- und Befehlsstrom separat gecacht.   Typische Vertreter: Intel Prozessorfamilie ab dem Pentium Pro. Alpha Prozessoren   POWER – Performance Optimization with Enhanced Risc   Der POWER Performance Chip ist eine Weiterentwicklung des RISC-Konzept´s durch IBM, Motorola und Apple. Hierbei handelt es sich um eine 32bit Variante des herkömmlichen RISC-Chips. Für den High End Bereich der RS/6000 Systeme wurde mit der POWER2SC (Super Chip) Variante eine 64bit Version entwickelt.

    Beurteilungs Methoden/Kriterien   Interne Taktfrequenz   Gibt an mit welcher Taktfrequenz der Prozessor auf die im Chip integrierten Komponente zugreifen kann. z.B. First Level Cache, Register, ...

  Externe Taktfrequenz   Gibt an mit welcher Taktfrequenz der Prozessor auf die nicht im Chip integrierten Komponente zugreifen kann. z.B. Second Level Cache, Speicher, ...

  Cache   Der Cache besteht normalerweise aus den schnellen SRAM Bausteinen und wird anhand seiner Positionierung in drei Kategorien unterteilen. First Level Cache Second Level Cache Integrated Second Level Cache   Der First Level Cache ist im Prozessor integriert und wird mit dem vollen Prozessortakt angesprochen. Der Second Level Cache befindet sich am Motherboard und wird nur mit der externen Taktfrequenz angesprochen. Der Integrated Second Level Cache befindet sich am Prozessormodul und wird bei vielen Modellen mit der vollen Taktfrequenz angesprochen.   Sockel   Die Entscheidung des Sockels ist für die Weiterverwendung des Motherboards beim Kauf eines neuen Prozessors wichtig. Derzeit gängige Slots sind: Socket 7,Socket 8, Slot 1, Slot 2, .

..   maximale Register Breite   Die maximale Registerbreite legt folgendes fest: den maximale adressierbaren Speicherbereich Zahlenbereich für direkte Arithmetische Berechnungen   Mips/ SPECint / SPECfp   Mips: Million Instructions per Second Mips dienen zur Angabe der Prozessorleistung. Dabei muß man aber zwischen RISC und CISC Prozessoren unterscheiden. (Nicht vergleichbar!) SPEC-Marks: System Performance Evaluation Cooperative SPEC wurde von den Firmen SUN, MIPS, HP und Apollo 1988 gegründet, um eine objektive Leistungsmessung unterschiedlicher Systeme und Einsatzbereiche zu ermöglichen. SPECint und SPECfp dienen zur Angabe der Integer bzw.

Floatingpoint Leistung eines Prozessors.   Spezielle Zusatzfähigkeiten Speculative Execution Der Prozessor bereitet lädt Daten aus dem Speicher, die er vermutlich brauchen wird, bevor diese explizit angefordert werden.   Branch Prediction Der Prozessor bereitet während freier Taktzyklen Daten vor, die er vermutlich brauchen wird.   Superpiplines Die Anzahl der Pipelines ist stark erhöht um eine schnellere Befehlsabarbeitung zu gewährleisten.   Superskalarität Der Prozessor kann zwei, bzw. mehrere Befehle gleichzeitig abarbeiten, wenn der Code zuvor für diesen Prozessortyp optimiert wurde.

  Gängige Prozessorfamilien Intel Kompatible Prozessor Familien x86er Serie CISC   Modelle: 8086: 4.77, 8, 10 8088: 4.77, 8 80286: 6, 8, 10, 12, 16, 20 80386: SX-16, SX-20, SX-25, SX-33, DX-16, DX-20, DX-25, DX-33, DX-33, DX-66 80486: SX-16, SX-20, SX-25, SX-33, DX-25, DX-33, DX-50, DX2-50, DX2-66, DX2-80, DX4-100   Pentium CISC 2 32 Bit Integer Pipelines pro Takt 2 Befehle gleichzeitig 16 KByte First Level Cache 64 Bit Speicher Interface 8 32 Bit Universal Register 8 80 Bit Gleitkomma Register   Modelle: 60, 66, 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200     Version 60 66 75 90 100 120 133 150 166 200 Introduced Mar. 1993 Oct. 94 Mar. 1994 Mar.

1995 June 1995 Jan. 1996 June 1996 Processor Generation Fifth Motherboard Gen. Fifth Memory Bus (MHz) 60 66 50 60 66 60 66 60 66 Proc. Clock Multiplier 1.0 1.5 2.

0 2.5 3.0 Processor Speed (MHz) 60 66 75 90 100 120 133 150 166 200 Circuit Size CPU(microns) 0.8 0.6 0.6/0.

3 0.35 Size (mm^2) 295 147 147/90 90 Transistors (millions) 3.1 3.2   3.3 Core Voltage 5 3.3 Motherboard Interface Socket 4 Socket 5, Socket 7 Socket 7 Databus Bandwidth mb/sec 457.

8 508.6 381.5 457.8 508.6 457.8 508.

6 457.8 508.6 Max. Adressable Memory 4 GB L2 Cache Type Mother board L2 Cache Size 256 KB – 512 KB Register Size (bits) 32 Pipeline Depth 5 L1 Cache Size 8 KB Data, 8KB Instruction     Pentium Pro RISC 3fach Superskalar 14 stufig Superpipelined 2 Chips 16 KByte First Level Cache Keramik Gehäuse   Modelle: 150, 166, 180, 200(256kb), 200(512kb), 200(1Mb)   Version 150 166 180 200(256) 200(512) 200(1024) Introduced Nov. 95 1996 Jän. 97 Processor Generation Sixth Motherboard Gen.

Sixth Memory Bus (MHz) 60 66 60 66 Proc. Clock Multiplier 2.5 3.0 Processor Speed (MHz) 150 166 180 200 Circuit Size CPU(microns) 0.6 0.35 Size (mm^2) 307 196 Transistors (millions) 5.

5 Core Voltage 3.1 3.3 Motherboard Interface Socket 8 Databus Bandwidth mb/sec 457.8 508.6 457.8 508.

6 Max. Adressable Memory 64 GB L2 Cache Type Integrated, nonblocking L2 Cache Size 256 KB 512 KB 256 KB 512 KB 1 MB Register Size (bits) 32 Pipeline Depth 14 L1 Cache Size 8 KB Data, 8 KB Instruction       Pentium MMX 32 Kbyte First Level Cache 57 neue Instruktionen (gegenüber Pentium)   Modelle: 166, 200, 233   Version PR-166 PR-200 PR-233 Introduced Jan. 1997 June 1997 Processor Generation Fifth Motherboard Gen. Fifth Memory Bus (MHz) 66 Proc. Clock Multiplier 2.5 3.

0 3.5 Processor Speed (MHz) 166 200 233 Circuit Size CPU(microns) 0.35 Size (mm^2) 141 Transistors (millions) 4.5 Core Voltage 2.8 Motherboard Interface Socket 7 with 2.8V Core Databus Bandwidth mb/sec 508.

6 Max. Adressable Memory 4 GB L2 Cache Type Motherboard L2 Cache Size 256 KB – 512 KB Register Size (bits) 32 Pipeline Depth 6 L1 Cache Size 16 KB Data + 16 KB Instruction   Pentium II Single Edge Connector Slot 1 100 MHz Systembus Kombination Pentium Pro und Pentium MMX   Modelle: 233, 266, 300, 333, 350, 400, 450 Version 233 266 300 333 Introduced May 1997 Feb 1998 Processor Generation Sixth Motherboard Gen. Sixth Memory Bus (MHz) 66 Proc. Clock Multiplier 3.5 4.0 4.

5 5.0 Processor Speed (MHz) 233 266 300 333 Circuit Size CPU(microns) 0.35 0.25 Size (mm^2) 203 ?? Transistors (millions) 7.5 Core Voltage 2.8 2.

0 Motherboard Interface Slot 1 Databus Bandwidth mb/sec 508.6 Max. Adressable Memory 64 GB L2 Cache Type Sec, nonblocking L2 Cache Size 512 KB Register Size (bits) 32 Pipeline Depth 14 L1 Cache Size 16 KB Data, 16 KB Instruction     Pentium II – Celeron geringere Second Level Cache höhere externer Takt   Modelle: 266, 300, 300A, 333A   Pentium II – Xeon Slot 2 größerer Second Level Cache ECC PIROM SMBus   Modelle: 450   AMD 80486DX5-133   AMD-K5 auf RISC basierende interne Architektur guter Cache Zugriff   Modelle: 75, 90, 100, 120, 133, 166   Version 75 90 100 120 133 166 Introduced 1995 1996 1997 Processor Generation Fifth Motherboard Gen. Fifth Memory Bus (MHz) 50 60 66 60 66 Proc. Clock Multiplier 1.5 1.

75 Processor Speed (MHz) 75 90 100 120 133 166 Circuit Size CPU(microns) 0.35 Size (mm^2) 161 Transistors (millions) 4.3 Core Voltage 3.52 Motherboard Interface Socket 7 Databus Bandwidth mb/sec 381.5 457.8 508.

6 457.8 508.6 Max. Adressable Memory 4 GB L2 Cache Type Motherboard L2 Cache Size 256 KB – 512 KB Register Size (bits) 32 Pipeline Depth 5 L1 Cache Size 8 KB Data, 16 KB Instruction   AMD-K6 größerer First Level Cache höhere Integerleistung   Modelle: 166, 200, 233, 266, 300, 333, 350, 366, 380, 400       Version K6-166 K6-200 K6-233 K6-266 Introduced April 97 Mar.1998 Processor Generation Sixth Motherboard Gen. Fifth Memory Bus (MHz) 66 Proc.

Clock Multiplier 2.5 3.0 3.5 4.0 Processor Speed (MHz) 166 200 233 266 Circuit Size CPU(microns) 0.35 0.

25 Size (mm^2) 166 68 Transistors (millions) 8.8 Core Voltage 2.9 3.2 2.2 Motherboard Interface Socket 7 Databus Bandwidth mb/sec 508.6 Max.

Adressable Memory 4 GB L2 Cache Type Motherboard L2 Cache Size 256 KB – 1 MB Register Size (bits) 32 Pipeline Depth 6 L1 Cache Size 32 KB Data, 32 KB Instruction     Cyrix Cyrix 5x86-100/5x86-120   Cyrix 6x86MX ("M2") großer First Level Cache optimiert für 32bit Code   Modelle: 166, 200, 233   Version PR-166 PR-200 PR-233 Introduced June 97 Processor Generation Sixth Motherboard Gen. Fifth Memory Bus (MHz) 60 66 75 Proc. Clock Multiplier 2.5 Processor Speed (MHz) 166 200 233 Circuit Size CPU(microns) 0.35 Size (mm^2) 197 Transistors (millions) 6.0 Core Voltage 2.

9 Motherboard Interface Socket 7 Databus Bandwidth mb/sec 457.8 508.6 575.2 Max. Adressable Memory 4 GB L2 Cache Type Motherboard L2 Cache Size 256 KB – 512 KB Register Size (bits) 32 Pipeline Depth 7 L1 Cache Size 64 KB Unified + 0.25 KB Instruction       Markt Situation Preis Situation   Preissituation Anfang Jänner:   Typ Modell Preis AMD K6-2 3D 300 1349.

- AMD K6-2 3D 333 1479.- AMD K6-2 3D 350 1949.- AMD K6-2 3D 366 2199.- AMD K6-2 3D 380 2499.- AMD K6-2 3D 400 3499.- Intel Pentium 166MHz 829.

- Intel Pentium 233MMX 1599.- Intel Celeron A 300MHz 1299.- Intel Celeron 333MHz 1499.- Intel Celeron 366MHz 2299.- Intel Pentium II 333MHz 2999.- Intel Pentium II 350MHz 3349.

- Intel Pentium II 400MHz 5349.- Intel Pentium II 450MHz 8489.-   Preis / Leistung   Von den derzeitig gängigen Systemen bieten folgende ein recht gutes Preis/Leistungs Verhältnis: Intel Celeron 333 AMD K6-2 3D 366   Einsatzgebiete Normal Verbraucher Für normal Verbraucher sind derzeit Intel Pentium II - Systeme bis zu 350 Mhz bzw. Intel Celeron – Systeme zu empfehlen.   Server Betrieb Für den Server Betrieb im kleineren Sinne sind derzeit Intel Pentium Pro – Systeme bzw. für fortgeschrittene Netze Intel Pentium II – Xeon – Systeme zu empfehlen.

  Hochleistungs Rechner Bei Hochleistungs Rechnern sollte man vom derzeitigen Angebot von Intel, AMD und Cyrix abstand nehmen und auf hochleistungs RISC-Prozessoren des Types POWER oder noch besser Alpha, deren Preise in den Bereich, für sterbliche erreichbar, gefallen sind, zurückgreifen.  

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