一種具有raid功能的固態(tài)硬盤的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種固態(tài)硬盤(SSD),其包括一個(gè)SSD控制器,其通過接口連接主機(jī)以實(shí)現(xiàn)信息收發(fā),所述SSD控制器包含一個(gè)嵌入RAID控制器;和多個(gè)非易失性存儲(chǔ)模塊(NVMs),該模塊連接SSD控制器,在嵌入RAID控制器的控制下,所述SSD控制器發(fā)起與NVMs間的信息收發(fā)和存儲(chǔ)。
【專利說明】—種具有RAID功能的固態(tài)硬盤
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域,尤其涉及一種具有RAID功能的固態(tài)硬盤。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中,有關(guān)獨(dú)立磁盤冗余陣列(redundant array of independent disks,簡(jiǎn)稱RAID)的體現(xiàn)形式多種多樣。
[0003][3]RAID是將多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)組件組織到一個(gè)邏輯單元的存儲(chǔ)技術(shù)。根據(jù)冗余和性能的需求不同,數(shù)據(jù)可按不同等級(jí)(RAID level)在驅(qū)動(dòng)器之間散布。
[0004]目前,RAID普遍用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)保護(hù)存儲(chǔ),通過多個(gè)物理驅(qū)動(dòng)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離和備份。RAID的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是將存儲(chǔ)器陣列作為一個(gè)虛擬驅(qū)動(dòng)器,被操作系統(tǒng)讀寫和訪問。不同的實(shí)現(xiàn)方案和架構(gòu)是可靠性、可用性、性能和容量等主要性能指標(biāo)的平衡,并用RAID加上數(shù)字來命名(比如RAIDO,RAID1)。等級(jí)大于RAIDO的RAID級(jí)別可以避免單個(gè)磁盤不可恢復(fù)的讀錯(cuò)誤而引起整個(gè)磁盤失敗。
[0005]以RAID6為例,它針對(duì)數(shù)據(jù)塊級(jí)別的條帶化分布進(jìn)行雙奇偶校驗(yàn),提供最多兩個(gè)驅(qū)動(dòng)故障的容錯(cuò)能力。在高可用的系統(tǒng)中,這種能力讓RAID組更實(shí)用。大容量驅(qū)動(dòng)從單個(gè)驅(qū)動(dòng)失敗中恢復(fù)的時(shí)間加長(zhǎng),容錯(cuò)能力顯得越發(fā)重要。單個(gè)驅(qū)動(dòng)失敗降低整個(gè)陣列的性能,直到這個(gè)失敗的驅(qū)動(dòng)被替換和相關(guān)數(shù)據(jù)得到重建。
[0006]一個(gè)RAID系統(tǒng)由多個(gè)熟知的硬盤(Hard Disk Drive,簡(jiǎn)稱HDD)和固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)(solid state drives,簡(jiǎn)稱SSD)組成。HDD是以內(nèi)置磁帶為介質(zhì),以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁盤。SSD 則由閃存組成。他們都有如 SCSI (Small Computer System Interface,簡(jiǎn)稱 SCSI)、IDE (Integrated Device Electronics,簡(jiǎn)稱 IDE)、SATA (Serial Advanced TechnologyAttachment,簡(jiǎn)稱 SATA)、PCI (Peripheral Component Interconnect,簡(jiǎn)稱 PCI)和 PCIE(PC1-Express)的接口。
[0007]但是,獨(dú)立的HDD和SSD使得RAID系統(tǒng)功耗變大,體積增大。
[0008]因此,需要從功耗、價(jià)格和體積方面改進(jìn)RAID系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]介于上述需求,本發(fā)明的目的在于提供一種固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD),它具有一個(gè)包含嵌入RAID控制器的SSD控制器,和多個(gè)非易失性存儲(chǔ)模塊(NVMs),所述多個(gè)非易失性存儲(chǔ)模塊(NVMs)連接SSD控制器。所述SSD控制器通過接口與主機(jī)連接以完成信息收發(fā)。進(jìn)一步的,所述SSD控制器在嵌入RAID控制器的控制下,所述SSD控制器發(fā)起與NVMs間的信息收發(fā)和存儲(chǔ)。簡(jiǎn)言之,在內(nèi)嵌RAID控制器控制下,所述SSD控制器對(duì)NVMs進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)。
[0010]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,所述存儲(chǔ)模塊是安全數(shù)字卡(SD)。
[0011]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,所述存儲(chǔ)模塊是多媒體卡(MMC)。
[0012]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,所述存儲(chǔ)模塊是嵌入多媒體卡(eMMC)。[0013]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,SD模塊通過SD總線連接RAID控制器。
[0014]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,MMC模塊通過MMC總線連接RAID控制器。
[0015]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,eMMC模塊通過eMMC總線連接RAID控制器。
[0016]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,數(shù)據(jù)傳輸接口可以是SCS1、IDE、ΑΤΑ、SATA、PC1、PCIE、SD、MMC、或 eMMC。
[0017]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,RAID控制器的功能是多種RAID模式(級(jí)別)之一,所述RAID模式(級(jí)別)包括RAIDl、RAID5和RAID6。
[0018]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,所述RAID控制器包含與多個(gè)存儲(chǔ)模塊相連的RAID控制邏輯。
[0019]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,RAID控制邏輯通過SD主機(jī)或MMC/eMMC主機(jī)與多個(gè)存儲(chǔ)模塊連接。
[0020]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,所述NVMs是NAND閃存或是NOR閃存。
[0021]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,NVMs是相變存儲(chǔ)器(PCM)、鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM)或磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)。
[0022]為進(jìn)一步理解所述驅(qū)動(dòng)器的實(shí)質(zhì)和優(yōu)點(diǎn),下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1示出了本發(fā)明的RAM系統(tǒng)實(shí)例;
[0024]圖2示出了本發(fā)明的圖1中RA頂系統(tǒng)中的RAID控制器實(shí)例;
[0025]圖3 (a)-3 (C)分別示出了 SD卡、eMMC模塊和MMC卡示意圖,上述模塊都包含在RAIM系統(tǒng)2中;
[0026]圖4示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)例,該例中RAID控制器具有RAID5的功能。
[0027]圖5示出了圖4中每個(gè)模塊24中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)例;
[0028]圖6示出了本發(fā)明的的另一實(shí)例:在該實(shí)施例中,所述RAID控制器具有RAIDl功倉泛;
[0029]圖7示出了圖6中的獨(dú)立SD模塊I和SD模塊2的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)例;
[0030]圖8示出了本發(fā)明的一個(gè)系統(tǒng)實(shí)例;
[0031]圖9示出了本發(fā)明的另一個(gè)系統(tǒng)實(shí)例;
[0032]圖10示出了本發(fā)明的再一個(gè)系統(tǒng)實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】
[0033]此處所稱的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”是指可包含于本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。在本說明書中不同地方出現(xiàn)的“在一個(gè)實(shí)施例中”并非均指同一個(gè)實(shí)施例,也不是單獨(dú)的或選擇性的與其他實(shí)施例互相排斥的實(shí)施例。
[0034]本發(fā)明體現(xiàn)了冗余陣列獨(dú)立模塊(RAM)的特色和原理,它有獨(dú)立磁盤冗余陣列(RAID)的功能。但是,RAID由獨(dú)立硬盤驅(qū)動(dòng)(HDD)或是固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)(SSD)單元組成,RAIM則是由一組獨(dú)立的存儲(chǔ)模塊:安全數(shù)據(jù)卡(SD),多媒體卡(MMC)或內(nèi)嵌MMC(eMMC)構(gòu)成。RAIM的這些存儲(chǔ)模塊具有低功耗,性價(jià)比高和體積小的特點(diǎn)。[0035]圖1示出了一個(gè)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例RAID系統(tǒng)2,其包括一個(gè)RAID控制器20、I到N個(gè)模塊24,其中N是整數(shù)。RAID控制器20通過總線23連接每一個(gè)模塊24。另外,RAID控制器還通過接口 21連接主機(jī)。
[0036]每一個(gè)模塊24可以是安全數(shù)據(jù)卡(SD),多媒體卡(MMC)或嵌入MMC (eMMC)。在一個(gè)具體的實(shí)施例中,所述總線23是SD總線,MMC總線,或eMMC總線,模塊24的類型決定于相匹配的總線。類似的,接口 21 是 SCSI,IDE,ATA,SATA,PCI,PCIE,SD,MMC 或 eMMC 接口。
[0037]系統(tǒng)運(yùn)行過程中,RAM系統(tǒng)2的RAID控制器20與主機(jī)I間相互進(jìn)行信息收發(fā)。信息的接收以命令和數(shù)據(jù)的形式,數(shù)據(jù)將通過RAID控制器20存儲(chǔ)在模塊24中。業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)顯示,RAID控制器20能高效地管理N個(gè)模塊。例如,RAID系統(tǒng)2是RAIDO系統(tǒng),RAID控制器在兩個(gè)或是更多的驅(qū)動(dòng)器(如圖1的模塊24)間執(zhí)行條帶化數(shù)據(jù)功能。再如,RAIM系統(tǒng)2具有RAIDl功能,RAID控制器在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器(模塊24)間鏡像數(shù)據(jù)。詳情請(qǐng)分別參照?qǐng)D6和圖7,這里只是示例,RAID控制器何種功能取決于RAM系統(tǒng)采用的技術(shù)相關(guān)。
[0038]傳統(tǒng)的RAID系統(tǒng)由獨(dú)立磁盤(HDD或SSD)陣列構(gòu)成,系統(tǒng)2由獨(dú)立存儲(chǔ)模塊陣列組成,結(jié)合RAID控制器,在價(jià)格、體積和功耗上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這些模塊24由SD、MMC或eMMC組成:SD應(yīng)符合SD相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);MMC和eMMC應(yīng)符合MMC及電子元件工業(yè)聯(lián)合會(huì)(JEDEC)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
[0039]RAID控制器將模塊24分組管理,使得RAID系統(tǒng)2功耗尺寸減小,并因此使性價(jià)比有所提高。例如,在圖4和5中,RAID控制器擁有RAID5的功能,數(shù)據(jù)包按照512byte大小被分成Al,A2,A3,BI,B2,B3……序列,而模塊4用來存放奇偶校驗(yàn)值,用于恢復(fù)模塊間損壞的任意數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的分組大小也可以是IK byte, 2K byte或其他長(zhǎng)度。相比RAID系統(tǒng),每個(gè)存儲(chǔ)模塊24可被看作獨(dú)立的虛擬驅(qū)動(dòng)器(virtual independent disk,簡(jiǎn)稱VID),這使得RAIM系統(tǒng)2具有更高的可靠性。例如,該系統(tǒng)有熱插拔和內(nèi)建自動(dòng)數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制,維修工程師可以用新模塊替換 掉老化的eMMC或SD模塊。例如,假如圖6的模塊2被拔出并用新的SD模塊替換,RAID控制器拷貝模塊I的全部信息到新模塊,然后恢復(fù)整個(gè)RAIM系統(tǒng)到模塊2被移除前的狀態(tài)。這種單個(gè)驅(qū)動(dòng)器也能用作創(chuàng)建一個(gè)高效的RAID2。
[0040]圖2示出了與本發(fā)明的圖1中RA頂系統(tǒng)中的RAID控制器實(shí)例。所述RAID控制器20包括了一個(gè)接口協(xié)議(IP) 201,微處理器200,RAID控制邏輯203,和N個(gè)SD、MMC、eMMC主機(jī)205。所述IP連接總線21和數(shù)據(jù)緩沖器202,以響應(yīng)來自所述微處理器200的信息。所述數(shù)據(jù)緩沖器202用以接收微處理器200發(fā)來的消息,并進(jìn)一步連接到所述RAID控制邏輯203。所述RAID控制邏輯203連接每個(gè)主機(jī)205,并通過總線23與模塊24進(jìn)行通信。
[0041]微處理器200執(zhí)行軟件,通知IP201去接收或發(fā)送信息到主機(jī)I和數(shù)據(jù)緩沖器202。微處理器200控制IP201和數(shù)據(jù)緩沖器202開始數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)緩沖器202緩存寫入存儲(chǔ)模塊24到或者從存儲(chǔ)模塊24讀出的數(shù)據(jù)。連接在數(shù)據(jù)緩沖器202與SD主機(jī)205之間的RAID控制邏輯203,通過微處理器200控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)緩沖器202與SD主機(jī)205之間的數(shù)據(jù)交換。每個(gè)主機(jī)205通過總線23發(fā)送命令給予其相連的存儲(chǔ)模塊24,讀取狀態(tài)并數(shù)據(jù)傳輸。從模塊的角度看,主機(jī)205就是SD或MMC、eMMC讀卡器。
[0042]圖3 (a)-3 (C)分別示出了包含在RAM系統(tǒng)2中的SD卡,eMMC模塊和MMC卡。
[0043]圖4示出了 RAID控制器的另一實(shí)例。圖4中的RAID控制器類似圖2和圖4中的控制器,RAID控制邏輯203 '是RAID5類型的控制邏輯。[0044]圖5示出了圖4中模塊24存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的例子。為了清楚,模塊24標(biāo)為24_1,24_2,24-3和24-4。數(shù)據(jù)在24-1到24_3中以塊的形式存在,24_4作為校驗(yàn)?zāi)K,用于存儲(chǔ)24_1到24-3數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)值。圖5的502-508四個(gè)塊存儲(chǔ)在模塊24_1,24_2,和24_3,模塊24-4存儲(chǔ)每個(gè)相應(yīng)塊的奇偶校驗(yàn)值。例如,塊502由Al,A2和A3構(gòu)成,存儲(chǔ)在模塊24_1,A2存在24-2,A3存在24_3。校驗(yàn)的一種形式是對(duì)Al、A2和A3執(zhí)行ORing操作,并把結(jié)果存于模塊24-4的校驗(yàn)?zāi)KA(Ap)里面。同理,B1、B2和B3分別放于24_1,24_2,24_3,執(zhí)行操作,結(jié)果放于24-4的校驗(yàn)?zāi)KB (Bp)中,B1-B3組成了塊504。這同樣應(yīng)用于塊506和508。
[0045]圖6示出了 RAID控制器的另一實(shí)例。除了控制邏輯203"部分,圖中RAID控制器20其他部分的和RAID控制器202’相似??刂七壿?03"通過總線23連接主機(jī)205和SD模塊24是RAIDl類型。
[0046]圖7示出了圖6中SD模塊I和SD模塊2的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)例。RAID控制邏輯203"是RAIM系統(tǒng)的一部分,其數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容被鏡像了。例如,在RAIDl等級(jí)中,作為塊或是塊的一部分SD模塊I的Al,和SD模塊2的A2相等。同理,SD模塊I的BI和SD模塊2的B2相等,以此類推。
[0047]圖8出示了本發(fā)明的一個(gè)系統(tǒng)實(shí)例,它是一個(gè)通過接口 802與主機(jī)通信的SSD2,所述接口 802類似于接口 21,所述SSD2也可以通過中間設(shè)備連接主機(jī)。SSD2則通過非易失性模塊接口(NVM busses)822連接η個(gè)非易失性存儲(chǔ)模塊(NVMs)823,η為整數(shù),所述NVMs對(duì)應(yīng)通道O到η-1。
[0048]所述SSD2包括SSD控制器821,所述SSD控制器821包括一個(gè)CPU815、一個(gè)緩沖器813、一個(gè)直接存儲(chǔ)器訪問(direct memory access,簡(jiǎn)稱DMA)814、一個(gè)嵌入RAID控制器816、和η個(gè)非易失性控制器模塊811,所述模塊811通過總線822連接NVMs823。簡(jiǎn)言之,每個(gè)非易失性模塊811通過單獨(dú)的NVM總線連接一個(gè)NVM。
[0049]控制器816嵌入到SSD2中,具有RAID的各種功能,其實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)形式是單個(gè)的集成芯片,或一個(gè)集成多個(gè)芯片的電路板。所述控制器支持RAID0,I, 2,3,4,5,6中的一個(gè),多個(gè)等級(jí)或是其組合模式,并根據(jù)相應(yīng)等級(jí)或模式所定義的規(guī)則和方法,對(duì)非易失性存儲(chǔ)控制器模塊811進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。
[0050]RAID控制器82包含至少一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器控制器811,通常地,所述非易失性存儲(chǔ)器控制器811多于一個(gè),用于管理一組非易失存儲(chǔ)器芯片。所述非易失性存儲(chǔ)器控制器811含有均衡損耗算法、糾錯(cuò)算法(Error Correction Code,簡(jiǎn)稱ECC)、擾碼產(chǎn)生器等子模塊或功能。所述RAID控制器82中的NVMs821通常是NAND閃存,也可以是NOR閃存,或是相變存儲(chǔ)器(PCM),鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM),磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)。
[0051]所述系統(tǒng)至少包含一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器總線822,實(shí)際應(yīng)用中通常是多于一個(gè),非易失性存儲(chǔ)器控制器模塊811通過該總線822存取數(shù)據(jù)。
[0052]所述系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),CPU815控制驅(qū)動(dòng)接口 812通過接口 802接收信息(以命令和數(shù)據(jù)的形式),并臨時(shí)存儲(chǔ)在SATA內(nèi)部緩沖器813中。然后,RAID控制器816控制DMA(DirectMemory Access,簡(jiǎn)稱DMA)模塊814,從緩沖器813傳送數(shù)據(jù)到RAID控制器816,分發(fā)到閃存控制器811,最終完成主機(jī)保存數(shù)據(jù)到NVMs823的操作。
[0053]所述RAID控制器816可配置以支持多種RAID等級(jí),在一個(gè)具體實(shí)例中,所述CPU815將控RAID制器816配置成某一個(gè)等級(jí)。
[0054]圖9示出了本發(fā)明的另一系統(tǒng)實(shí)例,其中,RAID控制器816配置成RAIDl等級(jí)。與圖5描述相似,所述RAID控制器816通過非易失性控制器811往3個(gè)NVMs823分發(fā)數(shù)據(jù),第4個(gè)NVM用于存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)值。圖9中的RAID控制器816,非易失性控制器811,NVMs823與圖8相應(yīng)部分一致。
[0055]圖10示出了本發(fā)明的再一系統(tǒng)實(shí)例,此時(shí)RAID控制器816配置為另一等級(jí)RAID3。圖中NVMs823只包含NVMl和NVM2,所述控制器816在NVMl分發(fā)數(shù)據(jù),在NVM2鏡像數(shù)據(jù)。
[0056]本發(fā)明已經(jīng)在一定程度上被充分詳細(xì)的描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解,目前實(shí)施例所揭露的只是示例而已,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此,本發(fā)明的范圍定義為其保護(hù)范圍而不是以上實(shí)施例的說明。
【權(quán)利要求】
1.一種固態(tài)硬盤(SSD),其特征在于:其包括: 一個(gè)SSD控制器,其通過接口連接主機(jī)以實(shí)現(xiàn)信息收發(fā),所述SSD控制器包含一個(gè)嵌入RAID控制器;和 多個(gè)非易失性存儲(chǔ)模塊(NVMs),該模塊連接SSD控制器,在嵌入RAID控制器的控制下,所述SSD控制器發(fā)起與NVMs間的信息收發(fā)和存儲(chǔ)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:所述存儲(chǔ)模塊是安全數(shù)字卡(SD)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:所述存儲(chǔ)模塊是多媒體卡(MMC)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:所述存儲(chǔ)模塊是嵌入多媒體卡(eMMC)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的SSD,其特征在于:SD模塊通過SD總線連接RAID控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的SSD,其特征在于:MMC模塊通過MMC總線連接RAID控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的SSD,其特征在于:eMMC模塊通過eMMC總線連接RAID控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:數(shù)據(jù)傳輸接口可以是SCS1、IDE、ΑΤΑ、SATA、PC1、PCIE、SD、MMC、或 eMMC。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:RAID控制器的功能是多種RAID模式(級(jí)另Ij)之一,所述RAID模式(級(jí)別)包括RAIDl、RAID5和RAID6。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:所述RAID控制器包含與多個(gè)存儲(chǔ)模塊相連的RAID控制邏輯。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的SSD,其特征在于:RAID控制邏輯通過SD主機(jī)或MMC/eMMC主機(jī)與多個(gè)存儲(chǔ)模塊連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:所述NVMs是NAND閃存或是NOR閃存。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SSD,其特征在于:NVMs是相變存儲(chǔ)器(PCM)、鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM)或磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)。
【文檔編號(hào)】G06F3/06GK103729148SQ201310746661
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
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