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【STM32H7教程】第70章 STM32H7的内部Flash基础知识和HAL库API

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第70章 STM32H7的内部Flash基础知识和HAL库API

本章节为大家讲解内部Flash的基础知识和对应的HAL库API。

70.1 初学者重要提示

70.2 内部Flash基础知识

70.3 内部Flash的HAL库用法

70.4 源文件stm32h7xx_hal_flash.c

70.5 总结

70.1 初学者重要提示

本章2.5小节里面的Flash三级读保护是重点，务必要掌握明白。
STM32H743XI有两个独立的BANK，一个BANK的编程和擦除操作对另一个BANK没有任何影响。但是如果用户应用程序和要擦写的Flash扇区在同一个BANK，在执行擦写操作时，用户应用程序将停止运行，包括中断服务程序。
STM32H7的两个Flash BANK是256bit带宽，CPU访问是采用的两个64bit AXI总线。
HAL库的内部Flash编程函数HAL_FLASH_Program固定编写32字节数据。

70.2 内部Flash基础知识

70.2.1 内部Flash的硬件框图

认识一个外设，最好的方式就是看它的框图，方便我们快速的了解内部Flash的基本功能，然后再看手册了解细节。

通过这个框图，我们可以得到如下信息：

sys_ck时钟输入

D1域总线时钟。

po_rst输入

Power on reset 上电复位。

d1_rst输入

D1域系统复位。

flash_it输出

flash中断请求输出。

STM32H7的两个Flash BANK是独立的，读写和擦除互补影响，256bit带宽，CPU访问是采用的两个64bit AXI总线。

70.2.2 内部Flash框架

关于内部Flash的框架，了解以下几个知识点即可：

256bit为单位，即32字节，并且每个单位配10bit的ECC校验位。正是这个原因要求大家对Flash进行编程时，必须以32字节为单位。
两个独立的BANK，每个BANK有1MB容量。并且每个BANK的扇区大小固定为128KB，即8个扇区。

BANK1的地址范围：0x0800 0000到0x080F FFFF。

BANK2的地址范围：0x0810 0000到0x081F FFFF。

70.2.3 内部Flash读操作

STM32H7的内部Flash读操作跟内部RAM的读操作是一样的，支持64bit，32bit，16bt和8bit，使用比较简单。这里我们重点普及一个知识点，H7的内部Flash在不同主频下需要做的延迟参数：

对于上面的表格，大家可以看到，当延迟等待设置为0的时候，即无等待，单周期访问，速度可以做到70MHz。增加1个Flash周期后，访问速度可以做到140MHz。当增加到3个或4个Flash周期后，最高速度可以做到225MHz。

了解了这个知识点后，再来看下面的时序，非常具有参考意义：

注：ACLK、ARADDR、ARVALID、RDATA、RVALID 和RLAST是AXI总线信号。Flash读和Flash数据是 Flash 接口信号。

关于这个时序要要认识到以下几点：

AXI总线发起读取信号后，Flash端等待了3个时钟周期（注意延迟三个周期，支持的Flash速度），之后连续读取了4个64bit数据。
由于AXI总线是64bit的，所以1次读取就可以读出64bit数据，连续读取4次后，就是256bit，即Flash接口的一组数据，因为H7的Flash接口带宽是256bit的。
如果不开Flash Cache的情况下，连续读可以提升性能。

下面是连续读取8个64bit数据的时序图，跟连续读取4个64bit数据基本是一样的，只是多读取了4组数据。

70.2.4 内部Flash写入和擦除操作

最重要的知识点放在开头说：STM32H7内部Flash的写操作地址必须是32字节对齐（此地址对32求余数为0），写入的数据量也必须是32字节整数倍，不足32字节整数倍，补0也要是整数倍。

这里我们重点了解Flash的写入和擦除流程。Flash的写入扇区流程如下：

先保证这块扇区空间之前已经擦除过了。
解锁Flash，通过HAL库的函数HAL_FLASH_Unlock实现。
检查是否写保护，使能Flash可以编程，然后对其进行编程操作，编程完毕后，等待编程完成，然后禁止Flash编程位。具体操作可以通过HAL库的函数HAL_FLASH_Program实现。

Flash的擦除流程如下：

解锁Flash，通过HAL库的函数HAL_FLASH_Unlock实现。
如果是BANK1或者BANK2需要擦除，调用函数FLASH_MassErase，然后等待擦除完成，完成之后关闭BANK1和BANK2的擦除请求位BER1/BER2
如果是扇区擦除，调用函数FLASH_Erase_Sector，然后等待擦除完成，完成之后关闭扇区的擦除请求位SER。

70.2.5 内部Flash读保护

内部Flash支持三级读保护RDP（read out protection）。

Level 0（无保护）

默认设置，所有读写和擦除操作都可以正常支持。

Level 1 （Flash连接保护）
- 可以防止连接调试器时读取Flash内容，或者RAM中存有恶意获取代码，也是禁止的。因此只要调试器连接芯片，或者从内部RAM启动运行代码，都是禁止访问内部Flash的。
- 如果没有检测到从内部RAM启动和系统bootloader启动且没有连接调试器，对用户Flash的读写和擦除操作都是允许的，并且其它安全存储区也是可以访问的。否则是禁止访问的，一旦检测到对Flash的读请求，将产生总线错误。
- 如果将Level 1切换到Level 0时，用户Flash区和安全区域将被擦除。
Level 2（设备保护和自举保护）
- 所有调试特性被关闭。
- 禁止从RAM启动。
- 除了选项字节里面的SWAP位可以配置，其它位都无法更改。
- 禁止了调试功能，且禁止了从RAM和系统bootloader启动，用户Flash区是可以执行读写和擦除操作的，访问其它安全存储区也是可以的。

特别注意：Level2修改是永久性的，一旦配置为Level2将不再支持被修改。

如果大家要设置读保护的话，使用HAL的API可以设置，也可以使用STM32CubeProg设置：

70.2.6 内部Flash选项字节

Flash选项字节主要用于boot地址设置，安全保护，Flash扇区保护等，涉及到的选项比较多。如果大家打算了解这一部分的话，使用STM32CubeProg进行设置即可，也比较方便。

70.2.7 内部Flash的ECC校验

这里先说下为什么内部Flash要带ECC校验，因为随着芯片的制造工艺水平越高，带电粒子产生的位翻转就越多，此时的ECC是必须要有的，一般可以纠正1-2个bit，安全等级高的Flash类存储器和RAM类都是必须要带ECC的。

对于STM32H7带的ECC校验，一般不需要用户去管理。

ECC相关知识

关于ECC方面的知识，专门整理了一个帖子：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86777

70.3 内部Flash的HAL库用法

70.3.1 内部Flash结构体FLASH_TypeDef

内部Flash相关的寄存器是通过HAL库中的结构体FLASH_TypeDef定义的，在stm32h743xx.h中可以找到这个类型定义：

typedef struct
{
  __IO uint32_t ACR;            
  __IO uint32_t KEYR1;           
  __IO uint32_t OPTKEYR;         
  __IO uint32_t CR1;            
  __IO uint32_t SR1;             
  __IO uint32_t CCR1;          
  __IO uint32_t OPTCR;           
  __IO uint32_t OPTSR_CUR;       
  __IO uint32_t OPTSR_PRG;      
  __IO uint32_t OPTCCR;          
  __IO uint32_t PRAR_CUR1;       
  __IO uint32_t PRAR_PRG1;       
  __IO uint32_t SCAR_CUR1;       
  __IO uint32_t SCAR_PRG1;       
  __IO uint32_t WPSN_CUR1;       
  __IO uint32_t WPSN_PRG1;       
  __IO uint32_t BOOT_CUR;       
  __IO uint32_t BOOT_PRG;       
  uint32_t      RESERVED0[2];    
  __IO uint32_t CRCCR1;          
  __IO uint32_t CRCSADD1;       
  __IO uint32_t CRCEADD1;        
  __IO uint32_t CRCDATA;         
  __IO uint32_t ECC_FA1;         
  uint32_t      RESERVED1[40];  
  __IO uint32_t KEYR2;           
  uint32_t      RESERVED2;      
  __IO uint32_t CR2;             
  __IO uint32_t SR2;             
  __IO uint32_t CCR2;            
  uint32_t      RESERVED3[4];   
  __IO uint32_t PRAR_CUR2;       
  __IO uint32_t PRAR_PRG2;       
  __IO uint32_t SCAR_CUR2;       
  __IO uint32_t SCAR_PRG2;      
  __IO uint32_t WPSN_CUR2;       
  __IO uint32_t WPSN_PRG2;       
  uint32_t      RESERVED4[4];   
  __IO uint32_t CRCCR2;          
  __IO uint32_t CRCSADD2;        
  __IO uint32_t CRCEADD2;        
  __IO uint32_t CRCDATA2;        
  __IO uint32_t ECC_FA2;         
} FLASH_TypeDef;

这个结构体的成员名称和排列次序和CPU的寄存器是一一对应的。

__IO表示volatile, 这是标准C语言中的一个修饰字，表示这个变量是非易失性的，编译器不要将其优化掉。core_m7.h 文件定义了这个宏：

#define     __O     volatile             /*!< Defines 'write only' permissions */
#define     __IO    volatile             /*!< Defines 'read / write' permissions */

下面我们看下Flash的定义，在stm32h743xx.h文件。

#define PERIPH_BASE              (0x40000000UL) 
#define D1_AHB1PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x12000000UL)
#define FLASH_R_BASE             (D1_AHB1PERIPH_BASE + 0x2000UL)
#define FLASH                    ((FLASH_TypeDef *) FLASH_R_BASE) <----- 展开这个宏，(FLASH_TypeDef *)0x52002000

我们访问Flash的CR1寄存器可以采用这种形式：FLASH->CR1 = 0。

70.3.2 内部Flash擦除结构体FLASH_EraseInitTypeDef

下面是做内部Flash擦除的结构体，用到的地方比较多：

typedef struct
{
  uint32_t TypeErase;  
  uint32_t Banks;       
  uint32_t Sector;      
  uint32_t NbSectors;   
  uint32_t VoltageRange; 
} FLASH_EraseInitTypeDef;

下面将结构体成员逐一做个说明：

TypeErase

用于选择BANK擦除还是扇区擦除，H743有两个BANK，每个BANK有个8个扇区，每个扇区128KB。具体支持的参数如下：

#define FLASH_TYPEERASE_SECTORS      0x00U  /* 扇区方式擦除 */
#define FLASH_TYPEERASE_MASSERASE    0x01U  /* BANK方式擦除 */

Banks

用于选择要擦除的BANK，或者两个BANK都选择：

#define FLASH_BANK_1             0x01U                         /* Bank 1 */
#define FLASH_BANK_2             0x02U                         /* Bank 2 */
#define FLASH_BANK_BOTH          (FLASH_BANK_1 | FLASH_BANK_2) /* Bank1 和 Bank2 */

Sector

用于选择要擦除的扇区：

#define FLASH_SECTOR_0             0U       /* Sector Number 0   */
#define FLASH_SECTOR_1             1U       /* Sector Number 1   */
#define FLASH_SECTOR_2             2U       /* Sector Number 2   */
#define FLASH_SECTOR_3             3U       /* Sector Number 3   */
#define FLASH_SECTOR_4             4U       /* Sector Number 4   */
#define FLASH_SECTOR_5             5U       /* Sector Number 5   */
#define FLASH_SECTOR_6             6U       /* Sector Number 6   */
#define FLASH_SECTOR_7             7U       /* Sector Number 7   */

NbSectors

用于设置要擦除的扇区个数，对于STM32H743来说，范围1到8。

VoltageRange

用于设置编程的并行位数，电压不同，位数不同：

#define FLASH_VOLTAGE_RANGE_1        0x00000000U       /* Flash program/erase by 8 bits  */
#define FLASH_VOLTAGE_RANGE_2        FLASH_CR_PSIZE_0  /* Flash program/erase by 16 bits */
#define FLASH_VOLTAGE_RANGE_3        FLASH_CR_PSIZE_1  /* Flash program/erase by 32 bits */
#define FLASH_VOLTAGE_RANGE_4        FLASH_CR_PSIZE    /* Flash program/erase by 64 bits */

70.3.3 内部Flash的操作总结

使用方法由HAL库提供：

Flash编程函数操作流程
- Flash解锁函数HAL_FLASH_Unlock。
- Flash查询方式编程HAL_FLASH_Program。
- Flash中断方式编程HAL_FLASH_Program_IT。
- Flash上锁函数HAL_FLASH_Lock。
选项字节编程流程
- 选项字节解锁函数HAL_FLASH_OB_Unlock。
- 选项字节加载函数HAL_FLASH_OB_Launch。
- 选项字节编程函数HAL_FLASHEx_OBProgram。
- 选项字节加锁函数HAL_FLASH_OB_Lock。
Flash擦除流程
- Flash解锁函数HAL_FLASH_Unlock。
- Flash查询方式擦除HAL_FLASHEx_Erase。
- Flash中断方式擦除HAL_FLASHEx_Erase_IT。
- Flash上锁函数HAL_FLASH_Lock。

70.4 内部Flash源文件stm32h7xx_hal_flash.c

此文件涉及到的函数较多，这里把几个常用的函数做个说明：

HAL_FLASH_Unlock
HAL_FLASH_Lock
HAL_FLASHEx_Erase
HAL_FLASH_Program

70.4.1 函数HAL_FLASH_Lock

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Lock(void)
{
/* 设置FLASH Bank1控制寄存器Lock位，即禁止访问 */
  SET_BIT(FLASH->CR1, FLASH_CR_LOCK);

/* 验证Flash Bank1是否已经被锁住 */
  if (READ_BIT(FLASH->CR1, FLASH_CR_LOCK) == 0U)
  {
    return HAL_ERROR;
  }

/* 设置FLASH Bank2控制寄存器Lock位，即禁止访问 */
  SET_BIT(FLASH->CR2, FLASH_CR_LOCK);

 /* 验证Flash Bank2是否已经被锁住 */
  if (READ_BIT(FLASH->CR2, FLASH_CR_LOCK) == 0U)
  {
    return HAL_ERROR;
  }

  return HAL_OK;
}

函数描述：

用于Flash加锁，加锁后将不能对Flash进行编程和擦除。

70.4.2 函数HAL_FLASH_Unlock

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Unlock(void)
{
  if(READ_BIT(FLASH->CR1, FLASH_CR_LOCK) != 0U)
  {
    /* 允许访问Flash Bank1 */
    WRITE_REG(FLASH->KEYR1, FLASH_KEY1);
    WRITE_REG(FLASH->KEYR1, FLASH_KEY2);

    /* 验证是否已经解锁 */
    if (READ_BIT(FLASH->CR1, FLASH_CR_LOCK) != 0U)
    {
      return HAL_ERROR;
    }
  }

  if(READ_BIT(FLASH->CR2, FLASH_CR_LOCK) != 0U)
  {
    /* 允许访问Flash Bank2 */
    WRITE_REG(FLASH->KEYR2, FLASH_KEY1);
    WRITE_REG(FLASH->KEYR2, FLASH_KEY2);

    /* 验证是否已经解锁 */
    if (READ_BIT(FLASH->CR2, FLASH_CR_LOCK) != 0U)
    {
      return HAL_ERROR;
    }
  }

  return HAL_OK;
}

函数描述：

此函数用于Flash解锁，解锁后可以对Flash进行擦除和编程。

70.4.3 函数HAL_FLASH_Program

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Program(uint32_t TypeProgram, uint32_t FlashAddress, uint32_t DataAddress)
{
  HAL_StatusTypeDef status;
  __IO uint32_t *dest_addr = (__IO uint32_t *)FlashAddress;
  __IO uint32_t *src_addr = (__IO uint32_t*)DataAddress;
  uint32_t bank;
  uint8_t row_index = FLASH_NB_32BITWORD_IN_FLASHWORD;

  /* 检测参数 */
  assert_param(IS_FLASH_TYPEPROGRAM(TypeProgram));
  assert_param(IS_FLASH_PROGRAM_ADDRESS(FlashAddress));

  /* 上锁 */
  __HAL_LOCK(&pFlash);

#if defined (FLASH_OPTCR_PG_OTP)
  if((IS_FLASH_PROGRAM_ADDRESS_BANK1(FlashAddress)) || (IS_FLASH_PROGRAM_ADDRESS_OTP(FlashAddress)))
#else
  if(IS_FLASH_PROGRAM_ADDRESS_BANK1(FlashAddress))
#endif 
  {
    bank = FLASH_BANK_1;
  }
  else
  {
    bank = FLASH_BANK_2;
  }

  /* 错误标识，无错误 */
  pFlash.ErrorCode = HAL_FLASH_ERROR_NONE;

  /* 等待操作完成 */
  status = FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, bank);

  if(status == HAL_OK)
  {
    if(bank == FLASH_BANK_1)
    {
#if defined (FLASH_OPTCR_PG_OTP)
      if (TypeProgram == FLASH_TYPEPROGRAM_OTPWORD)
      {
        /* 设置OTP寄存器的PG位，使能可以编程 */
        SET_BIT(FLASH->OPTCR, FLASH_OPTCR_PG_OTP);
      }
      else
#endif 
      {
        /* 设置PG位，使能可编程 */
        SET_BIT(FLASH->CR1, FLASH_CR_PG);
      }
    }
    else
    {
      /* 设置PG位 */
      SET_BIT(FLASH->CR2, FLASH_CR_PG);
    }

    __ISB();
    __DSB();

#if defined (FLASH_OPTCR_PG_OTP)
    if (TypeProgram == FLASH_TYPEPROGRAM_OTPWORD)
    {
      /* 编程OTP(16 bits) */
      *(__IO uint16_t *)FlashAddress = *(__IO uint16_t*)DataAddress;
    }
    else
#endif 
    {
      /* 对Flash进行编程 */
      do
      {
        *dest_addr = *src_addr;
        dest_addr++;
        src_addr++;
        row_index--;
     } while (row_index != 0U);
    }

    __ISB();
    __DSB();

    /* 等待最后一次操作完成 */
    status = FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, bank);

#if defined (FLASH_OPTCR_PG_OTP)
    if (TypeProgram == FLASH_TYPEPROGRAM_OTPWORD)
    {
      /* 如果编程操作完成，关闭OTP PG位 */
      CLEAR_BIT(FLASH->OPTCR, FLASH_OPTCR_PG_OTP);
    }
    else
#endif 
    {
      if(bank == FLASH_BANK_1)
      {
        /* 如果操作完成，关闭PG位 */
        CLEAR_BIT(FLASH->CR1, FLASH_CR_PG);
      }
      else
      {
        /* 如果操作完成，关闭PG位 */
        CLEAR_BIT(FLASH->CR2, FLASH_CR_PG);
      }
    }
  }

  /* 解锁 */
  __HAL_UNLOCK(&pFlash);

  return status;
}

函数描述：

此函数主要用于Flash编程，固定编程32个字节数据。

函数参数：

第1个参数是要编程的Flash类型，支持两种参数：
- FLASH_TYPEPROGRAM_FLASHWORD，用于芯片内部Flash编程。
- FLASH_TYPEPROGRAM_OTPWORD，用于芯片内部OTP存储区编程，当前的H743并没有这个区域，所以可以忽略。
第2个参数是要编程的Flash地址。
第3个参数是要编程到Flash的数据地址。
返回值，返回HAL_TIMEOUT表示超时，HAL_ERROR表示参数错误，HAL_OK表示发送成功，HAL_BUSY表示串口忙，正在使用中。

注意事项：

第2个参数的Flash地址要是32字节对齐的，即此地址对32求余等于0。
第3个参数务必要是32字节的整数倍。

70.4.4 函数HAL_FLASHEx_Erase

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_FLASHEx_Erase(FLASH_EraseInitTypeDef *pEraseInit, uint32_t *SectorError)
{
  HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
  uint32_t sector_index;

/* 检查参数 */
  assert_param(IS_FLASH_TYPEERASE(pEraseInit->TypeErase));
  assert_param(IS_FLASH_BANK(pEraseInit->Banks));

/* 上锁 */
  __HAL_LOCK(&pFlash);

/* 无错误 */
  pFlash.ErrorCode = HAL_FLASH_ERROR_NONE;

/* 等待BANK1的操作完成 */
  if((pEraseInit->Banks & FLASH_BANK_1) == FLASH_BANK_1)
  {
    if(FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, FLASH_BANK_1) != HAL_OK)
    {
      status = HAL_ERROR;
    }
  }

/* 等待BANK2的操作完成 */
  if((pEraseInit->Banks & FLASH_BANK_2) == FLASH_BANK_2)
  {
    if(FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, FLASH_BANK_2) != HAL_OK)
    {
      status = HAL_ERROR;
    }
  }

  if(status == HAL_OK)
  {
    if(pEraseInit->TypeErase == FLASH_TYPEERASE_MASSERASE)
    {
  /* 整个BANK1或者BANK2擦除 */
      FLASH_MassErase(pEraseInit->VoltageRange, pEraseInit->Banks);

  /* 等待操作完成 */
      if((pEraseInit->Banks & FLASH_BANK_1) == FLASH_BANK_1)
      {
        if(FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, FLASH_BANK_1) != HAL_OK)
        {
          status = HAL_ERROR;
        }
    /* 如果擦除完成，关闭BANK1的BER位 */
        FLASH->CR1 &= (~FLASH_CR_BER);
      }
      if((pEraseInit->Banks & FLASH_BANK_2) == FLASH_BANK_2)
      {
        if(FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, FLASH_BANK_2) != HAL_OK)
        {
          status = HAL_ERROR;
        }
    /* 如果擦除操作完成，关闭BANK2的BER位 */
        FLASH->CR2 &= (~FLASH_CR_BER);
      }
    }
    else
    {
  /* 初始化扇区错误码 */
      *SectorError = 0xFFFFFFFFU;

  /* 扇区方式擦除 */
      for(sector_index = pEraseInit->Sector; sector_index < (pEraseInit->NbSectors + pEraseInit->Sector);
 sector_index++)
      {
        FLASH_Erase_Sector(sector_index, pEraseInit->Banks, pEraseInit->VoltageRange);

        if((pEraseInit->Banks & FLASH_BANK_1) == FLASH_BANK_1)
        {
      /* 等待BANK1操作完成 */
          status = FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, FLASH_BANK_1);

      /* 如果擦除操作完成，禁止SER位 */
          FLASH->CR1 &= (~(FLASH_CR_SER | FLASH_CR_SNB));
        }
        if((pEraseInit->Banks & FLASH_BANK_2) == FLASH_BANK_2)
        {
      /* 等待BANK2操作完成 */
          status = FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE, FLASH_BANK_2);

      /* 如果擦除操作完成，禁止SER位 */
          FLASH->CR2 &= (~(FLASH_CR_SER | FLASH_CR_SNB));
        }

        if(status != HAL_OK)
        {
      /* 如果擦除出错，停止后续擦除，返回擦除异常的扇区号 */
          *SectorError = sector_index;
          break;
        }
      }
    }
  }

/* 解锁 */
  __HAL_UNLOCK(&pFlash);

  return status;
}

函数描述：

用于内部Flash的批量擦除（BANK擦除）和扇区方式擦除。

函数参数：

第1个参数是FLASH_EraseInitTypeDef类型结构体指针变量。
第2个参数是错误码返回，返回0xFFFFFFFF表示全部正确，返回其它值是擦除过程中的错误扇区。
返回值，返回HAL_ERROR表示参数错误，HAL_OK表示发送成功，HAL_BUSY表示忙，正在使用中。

70.5 总结

本章节就为大家讲解这么多，对于内部Flash编程来说，掌握本章节的这些知识点就够用了，更多的知识点可以看STM32H7的参考手册学习。

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