【linux驱动】gpio外设驱动

  本篇文章为gpio外设驱动,使用内核的gpio驱动框架来操作soc的gpio外设,首先介绍所有外设引脚配置都需要的pinctrl,再介绍本篇的重点-gpio外设驱动,最后给出三个标准的gpio外设驱动:led、蜂鸣器、按键。

一、pinctrl和gpio子系统概述

  • pinctrl:配置pin的复用功能和电气属性,除了配置gpio外设外,i2c、spi等通用外设也适用。
  • gpio:提供操作gpio的api。

二、pinctrl子系统

2.1 简介

  pinctrl子系统主要与设备树结合使用,在设备树里面设置好某个pin的相关属性后,其他的初始化工作均由 pinctrl 子系统来完成,pinctrl子系统源码目录为drivers/pinctrl。iomuxc设备树如下。

// imx6ull.dtsi 
iomuxc: iomuxc@020e0000 {
    
    
    compatible = "fsl,imx6ul-iomuxc";
    reg = <0x020e0000 0x4000>;
}
// imx6ull-alientek-emmc.dts
&iomuxc {
    
    
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;
    imx6ul-evk {
    
    
        pinctrl_hog_1: hoggrp-1 {
    
    
            fsl,pins = <
                MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19 0x17059
                MX6UL_PAD_GPIO1_IO05__USDHC1_VSELECT 0x17059
                MX6UL_PAD_GPIO1_IO09__GPIO1_IO09 0x17059
                MX6UL_PAD_GPIO1_IO00__ANATOP_OTG1_ID 0x13058
            >;
        };
......
        pinctrl_flexcan1: flexcan1grp{
    
    
            fsl,pins = <
                MX6UL_PAD_UART3_RTS_B__FLEXCAN1_RX 0x1b020
                MX6UL_PAD_UART3_CTS_B__FLEXCAN1_TX 0x1b020
            >;
        };
    ......
        pinctrl_wdog: wdoggrp {
    
    
            fsl,pins = <
                MX6UL_PAD_LCD_RESET__WDOG1_WDOG_ANY 0x30b0
            >;
        };
    };
};

2.2 设备树解析

  imx6ull.dtsi的iomuxc节点的reg属性描述了iomuxc外设的基地址为0x020e0000,在imx6ull-alientek-emmc.dts追加了iomuxc节点信息,pinctrl_hog_1是pinctrl配置节点的第一个节点,其下的fsl,pins属性解释如下:

MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19 0x17059

  MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19宏定义如下,MX6UL_PAD_UART1_RTS_B可以有UART1_DCE_RTS 、UART1_DTE_CTS 等复用功能,MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19代表普通GPIO,后面的0x17059是GPIO的配置信息:上下拉、输入输出等配置。

#define MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__UART1_DCE_RTS 0x0090 0x031C 0x0620 0x0 0x3

#define MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__UART1_DTE_CTS 0x0090 0x031C 0x0000 0x0 0x0

#define MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__ENET1_TX_ER 0x0090 0x031C 0x0000 0x1 0x0

#define MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__USDHC1_CD_B 0x0090 0x031C 0x0668 0x2 0x1

#define MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__CSI_DATA05 0x0090 0x031C 0x04CC 0x3 0x1

2.3 示例-添加任意外设pinctrl配置信息

  在2.1节的iomuxc节点的imx6ul-evk节点下新建一个pinctrl节点pinctrl_test,其fsl,pins属性设置为 MX6UL_PAD_GPIO1_IO00__GPIO1_IO00 config。

pinctrl_test: testgrp {
    
    
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_GPIO1_IO00__GPIO1_IO00 config /*config        是具体设置值*/
    >;
}

三、gpio子系统

  gpio子系统提供api函数来操作gpio,soc原厂已经写好底层的驱动程序,我们需要在设备树中对gpio进行配置,之后在驱动程序里面读取设备树的配置信息用于初始化外设,后面就能用api操作gpio。

四、示例一-led驱动

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define GPIOLED_CNT			1		  	/* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME		"gpioled"	/* 名字 */
#define LEDOFF 				0			/* 关灯 */
#define LEDON 				1			/* 开灯 */

/* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{
    
    
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;	/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */
	int led_gpio;			/* led所使用的GPIO编号		*/
};

struct gpioled_dev gpioled;	/* led设备 */

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    
	filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    
    
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件,表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
 */
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    
    
	int retvalue;
	unsigned char databuf[1];
	unsigned char ledstat;
	struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
	if(retvalue < 0) {
    
    
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	ledstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {
    
    	
		gpio_set_value(dev->led_gpio, 0);	/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
    
    
		gpio_set_value(dev->led_gpio, 1);	/* 关闭LED灯 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {
    
    
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
    
    
	int ret = 0;

	/* 设置LED所使用的GPIO */
	/* 1、获取设备节点:gpioled */
	gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
	if(gpioled.nd == NULL) {
    
    
		printk("gpioled node not find!\r\n");
		return -EINVAL;
	} else {
    
    
		printk("gpioled node find!\r\n");
	}

	/* 2、 获取设备树中的gpio属性,得到LED所使用的LED编号 */
	gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);
	if(gpioled.led_gpio < 0) {
    
    
		printk("can't get led-gpio");
		return -EINVAL;
	}
	printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);

	/* 3、设置GPIO1_IO03为输出,并且输出高电平,默认关闭LED灯 */
	ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);
	if(ret < 0) {
    
    
		printk("can't set gpio!\r\n");
	}

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (gpioled.major) {
    
    		/*  定义了设备号 */
		gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);
		register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
	} else {
    
    						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);	/* 申请设备号 */
		gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);

	/* 4、创建类 */
	gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
	if (IS_ERR(gpioled.class)) {
    
    
		return PTR_ERR(gpioled.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
	if (IS_ERR(gpioled.device)) {
    
    
		return PTR_ERR(gpioled.device);
	}
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
    
    
	/* 注销字符设备驱动 */
	cdev_del(&gpioled.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
	class_destroy(gpioled.class);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("qwz");

五、示例二-蜂鸣器驱动

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define BEEP_CNT			1		/* 设备号个数 */
#define BEEP_NAME			"beep"	/* 名字 */
#define BEEPOFF 			0		/* 关蜂鸣器 */
#define BEEPON 				1		/* 开蜂鸣器 */


/* beep设备结构体 */
struct beep_dev{
    
    
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;	/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */
	int beep_gpio;			/* beep所使用的GPIO编号		*/
};

struct beep_dev beep;		/* beep设备 */

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int beep_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    
	filp->private_data = &beep; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件,表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
 */
static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    
    
	int retvalue;
	unsigned char databuf[1];
	unsigned char beepstat;
	struct beep_dev *dev = filp->private_data;

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
	if(retvalue < 0) {
    
    
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	beepstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */

	if(beepstat == BEEPON) {
    
    	
		gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0);	/* 打开蜂鸣器 */
	} else if(beepstat == BEEPOFF) {
    
    
		gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1);	/* 关闭蜂鸣器 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int beep_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations beep_fops = {
    
    
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = beep_open,
	.write = beep_write,
	.release = 	beep_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init beep_init(void)
{
    
    
	int ret = 0;

	/* 设置BEEP所使用的GPIO */
	/* 1、获取设备节点:beep */
	beep.nd = of_find_node_by_path("/beep");
	if(beep.nd == NULL) {
    
    
		printk("beep node not find!\r\n");
		return -EINVAL;
	} else {
    
    
		printk("beep node find!\r\n");
	}

	/* 2、 获取设备树中的gpio属性,得到BEEP所使用的BEEP编号 */
	beep.beep_gpio = of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0);
	if(beep.beep_gpio < 0) {
    
    
		printk("can't get beep-gpio");
		return -EINVAL;
	}
	printk("led-gpio num = %d\r\n", beep.beep_gpio);

	/* 3、设置GPIO5_IO01为输出,并且输出高电平,默认关闭BEEP */
	ret = gpio_direction_output(beep.beep_gpio, 1);
	if(ret < 0) {
    
    
		printk("can't set gpio!\r\n");
	}

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (beep.major) {
    
    		/*  定义了设备号 */
		beep.devid = MKDEV(beep.major, 0);
		register_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT, BEEP_NAME);
	} else {
    
    						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&beep.devid, 0, BEEP_CNT, BEEP_NAME);	/* 申请设备号 */
		beep.major = MAJOR(beep.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		beep.minor = MINOR(beep.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	printk("beep major=%d,minor=%d\r\n",beep.major, beep.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	beep.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&beep.cdev, &beep_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&beep.cdev, beep.devid, BEEP_CNT);

	/* 4、创建类 */
	beep.class = class_create(THIS_MODULE, BEEP_NAME);
	if (IS_ERR(beep.class)) {
    
    
		return PTR_ERR(beep.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	beep.device = device_create(beep.class, NULL, beep.devid, NULL, BEEP_NAME);
	if (IS_ERR(beep.device)) {
    
    
		return PTR_ERR(beep.device);
	}
	
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit beep_exit(void)
{
    
    
	/* 注销字符设备驱动 */
	cdev_del(&beep.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(beep.class, beep.devid);
	class_destroy(beep.class);
}

module_init(beep_init);
module_exit(beep_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("qwz");

六、示例三-按键输入

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define KEY_CNT			1		/* 设备号个数 	*/
#define KEY_NAME		"key"	/* 名字 		*/

/* 定义按键值 */
#define KEY0VALUE		0XF0	/* 按键值 		*/
#define INVAKEY			0X00	/* 无效的按键值  */

/* key设备结构体 */
struct key_dev{
    
    
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;	/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */
	int key_gpio;			/* key所使用的GPIO编号		*/
	atomic_t keyvalue;		/* 按键值 		*/	
};

struct key_dev keydev;		/* key设备 */

/*
 * @description	: 初始化按键IO,open函数打开驱动的时候
 * 				  初始化按键所使用的GPIO引脚。
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int keyio_init(void)
{
    
    
	keydev.nd = of_find_node_by_path("/key");
	if (keydev.nd== NULL) {
    
    
		return -EINVAL;
	}

	keydev.key_gpio = of_get_named_gpio(keydev.nd ,"key-gpio", 0);
	if (keydev.key_gpio < 0) {
    
    
		printk("can't get key0\r\n");
		return -EINVAL;
	}
	printk("key_gpio=%d\r\n", keydev.key_gpio);
	
	/* 初始化key所使用的IO */
	gpio_request(keydev.key_gpio, "key0");	/* 请求IO */
	gpio_direction_input(keydev.key_gpio);	/* 设置为输入 */
	return 0;
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int key_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    
	int ret = 0;
	filp->private_data = &keydev; 	/* 设置私有数据 */

	ret = keyio_init();				/* 初始化按键IO */
	if (ret < 0) {
    
    
		return ret;
	}

	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
 */
static ssize_t key_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    
    
	int ret = 0;
	int value;
	struct key_dev *dev = filp->private_data;

	if (gpio_get_value(dev->key_gpio) == 0) {
    
     		/* key0按下 */
		while(!gpio_get_value(dev->key_gpio));		/* 等待按键释放 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, KEY0VALUE);	
	} else {
    
    	
		atomic_set(&dev->keyvalue, INVAKEY);		/* 无效的按键值 */
	}

	value = atomic_read(&dev->keyvalue);
	ret = copy_to_user(buf, &value, sizeof(value));
	return ret;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件,表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
 */
static ssize_t key_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    
    
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int key_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations key_fops = {
    
    
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = key_open,
	.read = key_read,
	.write = key_write,
	.release = 	key_release,
};

/*
 * @description	: 驱动入口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init mykey_init(void)
{
    
    
	/* 初始化原子变量 */
	atomic_set(&keydev.keyvalue, INVAKEY);

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (keydev.major) {
    
    		/*  定义了设备号 */
		keydev.devid = MKDEV(keydev.major, 0);
		register_chrdev_region(keydev.devid, KEY_CNT, KEY_NAME);
	} else {
    
    						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&keydev.devid, 0, KEY_CNT, KEY_NAME);	/* 申请设备号 */
		keydev.major = MAJOR(keydev.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		keydev.minor = MINOR(keydev.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	
	/* 2、初始化cdev */
	keydev.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&keydev.cdev, &key_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&keydev.cdev, keydev.devid, KEY_CNT);

	/* 4、创建类 */
	keydev.class = class_create(THIS_MODULE, KEY_NAME);
	if (IS_ERR(keydev.class)) {
    
    
		return PTR_ERR(keydev.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	keydev.device = device_create(keydev.class, NULL, keydev.devid, NULL, KEY_NAME);
	if (IS_ERR(keydev.device)) {
    
    
		return PTR_ERR(keydev.device);
	}
	
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit mykey_exit(void)
{
    
    
	/* 注销字符设备驱动 */
	cdev_del(&keydev.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(keydev.devid, KEY_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(keydev.class, keydev.devid);
	class_destroy(keydev.class);
}

module_init(mykey_init);
module_exit(mykey_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("qwz");

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