news 2026/10/4 2:22:49

MRAM替代EEPROM:伺服驱动器高频掉电数据记录方案详解

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张小明

前端开发工程师

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MRAM替代EEPROM:伺服驱动器高频掉电数据记录方案详解

前阵子做一台伺服驱动器的数据记录改造,原来的方案在板上放了颗EEPROM存运行参数,调试时发现三个问题同时冒出来:写入一次要几个毫秒,电机关断时序窗口根本等不及;频繁记录的累计运行时间把寿命打到极限;中间一次意外掉电,恢复后参数还是坏了一块。后来我把存储介质换成了Everspin的MR25H40CDF,一颗4Mbit的SPI接口MRAM,MCU侧用的NXP Kinetis MKV44F256VLH16,从接线到驱动全部重写,问题才算根治。这篇文章把这套组合从选型逻辑、电路细节到读写代码完整拆一遍,给正在做工业控制、嵌入式数据采集,尤其是电机控制里需要掉电保存高频数据的同学一个参考。

为什么是这两颗芯片?MR25H40CDF解决的是"非易失存储写入寿命和速度"的痛点,MKV44F256VLH16提供168MHz主频的电机控制外设和足够强壮的SPI控制器。你不需要用电池备份SRAM,也不需要忍受EEPROM的毫秒级字节写入和十万到百万次寿命上限,MRAM这个"掉电不丢的内存"在工业场景里非常对胃口。

1. 项目背景与需求拆解

1.1 项目到底要解决什么问题

工业嵌入式设备和消费电子不太一样,很多现场工况是"写多读少"且"写入时机不可控"的。伺服驱动器就是一个典型:每次运行动作结束都可能要记录当前位置、累计运行时长、故障码、电流环参数标定值。这些数据的特点是更新频率高、单次数据量不大、掉电后必须还在。

用传统方案会出现以下几种难受的情况。

EEPROM虽然按字节写很简单,但单字节写入等待时间通常在3到5毫秒,在电机控制那种微秒级执行周期里根本插不进去。更致命的是耐久次数,常见EEPROM标称10万到100万次擦写,听着够用,但一个24小时不间断记录累计运行时间的设备,每秒写一次,一年就是3153万次,一个月不到就把EEPROM寿命写完。Flash也好不到哪里去,NOR Flash页编程要等,擦除要等,还有块结构限制,为了改一个字节要先把整个扇区搬出来改完再擦回,这在工业现场随时掉电的环境下非常容易出数据损坏。

BBSRAM,也就是带电池的静态RAM,读写得倒快,但电池在高温环境下的寿命、维护周期、防拆要求都是麻烦。有些设备在85℃环境跑三年,电池先挂,数据照样丢。

这个项目真正需要的存储器长这样:写入速度接近RAM,没有擦除过程,写入次数高到可以忽略寿命问题,掉电不丢数据,温度范围覆盖工业级。MRAM就是这个思路下的产物,而MR25H40CDF恰好是SPI接口、小封装、容量4Mbit的主流型号,非常适合挂在通用MCU的SPI总线后面。

1.2 为什么选中MR25H40CDF加MKV44F256VLH16这套组合

MR25H40CDF是Everspin的第四代SPI MRAM,容量4Mbit也就是512KB,8引脚DFN封装,SPI时钟最高可以跑到40MHz,读写速度基本是SRAM级别,写入寿命超过10的14次方次,相当于可以无限次写。它的行为非常朴素:地址、命令、数据都是标准SPI操作,协议简单到像一颗带掉电保持的SRAM。

MCU侧选MKV44F256VLH16也有自己的考虑。它属于NXP Kinetis V系列,ARM Cortex-M4F内核,主频168MHz,LQFP64封装,Flash 256KB,SRAM 32KB,温度范围是工业级的-40到105℃。KV系列本来就是定位电机控制,板载的FlexTimer、高速ADC、PGA等外设对这个项目后续扩展很有用。更重要的是,它有一个成熟稳定的DSPI模块,可以作为SPI主机直接挂MRAM,DMA配置也方便,不会成为性能瓶颈。

这套组合还有一个隐性优势:整板只有一颗MCU加一颗存储,供电3.3V统一,走线简单,MRAM和MCU都支持在工业温度范围工作,没有外部电池要维护。对于需要过环境认证的工控设备,物料清单越短,可靠性越高。

2. 两颗芯片的关键细节

2.1 MR25H40CDF:MRAM不是普通存储器

MRAM的原理值得简单说清楚,因为理解了原理你才知道它为什么能同时做到"快"和"不丢"。它内部用磁性隧道结存储数据,核心结构是两层铁磁层中间夹着一层厚度只有纳米级的绝缘势垒。当两层铁磁层的磁化方向一致,隧穿电阻小,表示一个逻辑状态;方向相反时隧穿电阻大,表示另一个逻辑状态。写入数据时,通过电流产生的磁场或者自旋转移力矩把自由层磁化方向翻转,不需要先擦除再写。这就是MRAM和Flash最本质的区别:Flash写入前必须把整个区块擦成1,再往里面写0,擦除和写入是两个独立步骤,所以慢而且伤寿命;而MRAM可以直接把目标位写入目标值,如同SRAM一样。

MR25H40CDF的主要参数我列一下:

项目参数
容量4Mbit,512K x 8
接口SPI,支持Mode 0和Mode 3
最高时钟40MHz
供电电压2.7V到3.6V
写入耐久大于10的14次方次
数据保持85℃下超过20年
工作温度-40℃到+85℃(工业级)
封装8引脚DFN
待机电流典型约5mA
写操作按字节写,无需页编程或擦除

需要特别说明的是,MR25H40CDF的写入耐久指标并不是估计值,而是Everspin通过实际循环测试保证的。它没有Flash那种"写坏块"的概念,至少在你的产品生命周期内可以认为不存在磨损问题。这对量产设备的意义很大:不需要做磨损均衡,不需要做坏块管理,存储驱动可以简化很多。

2.2 MKV44F256VLH16:Kinetis KV44在工业端的底气

MKV44F256VLH16的定位是电机控制专用MCU,但把它当通用工业控制器用也完全没问题。Cortex-M4F带FPU,跑浮点PID运算很轻松,168MHz主频足够处理电机控制环路再加上数据记录任务。外设方面,FlexTimer可以做多路PWM输出,PGA和高速比较器可以直接处理模拟量,12位ADC的采样时序可以跟PWM同步,这一套组合在伺服和变频器领域非常成熟。

我这里主要关心DSPI模块。Kinetis V系列的DSPI支持SPI、DSPI和Queued SPI模式,可以配置为PCS自动片选,也可以手动控制。对MRAM这种连续读写命令,我建议选择手动片选,理由后面代码部分详细说。DSPI的发送FIFO和接收FIFO各16个条目,在40MHz时钟下连续读写512字节数据时基本不需要CPU干预,配合DMA甚至可以在CPU不介入的情况下把整块MRAM内容搬到内存。本次项目数据量不大,我直接用了阻塞式读写,简单稳妥,代码也好维护。

选MKV44F256VLH16还有一个原因是库存和供货。256KB Flash的Kinetis V系列在市场上流通量大,LQFP64封装也方便手工焊接和返修,不像BGA那样只能靠回流焊。对很多工控小批量产品来说,可维护性本身就是硬指标。

3. 硬件设计与连接要点

3.1 引脚映射与电路接法

MR25H40CDF的8个引脚功能固定,除电源地之外,核心信号就是CS、SCK、MOSI、MISO、WP、HOLD。MKV44F256VLH16这侧的DSPI引脚具体编号跟实际原理图走线有关,不同开发板和最小系统板的引脚定义不一定相同,这里我按功能对应关系给出连接方式。

MR25H40CDF引脚作用连接目标说明
CS片选,低有效MCU某GPIO手动控制,平时拉高
SCKSPI时钟DSPI_SCK最高40MHz,建议17度上升斜率
MOSI命令和数据输入DSPI_SOUTMCU向MRAM写入数据
MISO数据输出DSPI_SINMRAM向MCU返回数据
WP写保护,低有效直接接VDD上拉为高,允许写状态寄存器
HOLD暂停通信,低有效直接接VDD必须上拉,悬空会出诡异问题
VDD电源3.3V并联0.1uF加4.7uF去耦电容
GND地系统地单点接地,走线短粗

需要强调几点。WP和HOLD引脚不能悬空。HOLD拉低时,MRAM会忽略SCK边沿,如果在高速通信过程中HOLD上出现毛刺,就会发生帧错位,出现"数据写进去但读出来是乱的"这种问题。WP虽然只锁状态寄存器写入,但同样建议直接接高,避免意外拉低后WRSR命令无效,排查起来很隐蔽。

CS用GPIO控制还是用DSPI硬件PCS控制,这是电路设计阶段就要定的事。我强烈建议用GPIO控制片选,原因后面代码部分展开,硬件上只需把CS引脚接到任意空闲GPIO,不需要DSPI的PCS功能映射到同一个引脚,这样在设计上就规避了引脚冲突。

3.2 DFN8封装与PCB设计经验

MR25H40CDF的DFN封装没有裸露焊盘,但引脚间距小,焊接时还是要注意。我这边是加热台配合钢网,或者手工风枪加焊膏,260到280℃温度档位,别超过300℃,吹到焊膏完全熔化后再稍微给点时间让锡珠聚拢。焊完后可以用万用表测一下VDD和GND之间有没有短路,再测CS、SCK、MOSI对地电阻,确保没连锡。有条件的话,拿放大镜或显微镜看一眼每个引脚侧面有没有爬锡,这比单纯量阻值更可靠。

PCB走线方面,40MHz的SPI信号不算高频,但也不能太随意。SCK、MOSI、MISO三条信号线长度尽量控制在3厘米以内,如果超过5厘米,建议在SCK上串一个22欧到33欧的电阻用于抑制振铃,并在终端加10到20pF电容滤掉高频噪声。工业现场最常见的干扰源是变频器的IGBT开关噪声,它们会通过地线耦合进SPI总线。所以MRAM的地脚到MCU地脚之间要走单独的粗地线,不要和功率部分的回流地共用一段细走线。

电源去耦是另一个容易被忽略的点。MRAM在40MHz翻转时瞬态电流不低,如果去耦电容离VDD引脚太远,VDD在读写瞬间会产生压降,导致偶发写失败。我的做法是0.1uF尽量贴着VDD引脚放置,同时在3.3V电源入口再加4.7uF钽电容或陶瓷电容,确保高频和低频去耦都有覆盖。

4. 软件读写实现

4.1 DSPI初始化和时钟选择

MKV44F256VLH16的DSPI配置在NXP的MCUXpresso SDK里有现成的驱动,直接调用DSPI_MasterInit即可。关键参数是模式选择、时钟分频和片选策略。

MR25H40CDF支持SPI Mode 0和Mode 3,区别只在SCK空闲电平。Mode 0是空闲低电平,数据在SCK上升沿采样;Mode 3是空闲高电平,数据同样在上升沿采样。两个模式都可以用,我习惯用Mode 0,因为初始化时SCK默认低电平,能让总线处于更安静的状态。初始化代码如下:

#include "fsl_dspi.h" #define MRAM_DSPI_BASE DSPI0 #define MRAM_DSPI_CLK_FREQ CLOCK_GetFreq(kCLOCK_Dspi0) void mram_dspi_init(void) { dspi_master_config_t cfg; DSPI_MasterGetDefaultConfig(&cfg); cfg.baudRate = 40000000U; // 40MHz cfg.whichPcs = kDSPI_Pcs0; // 仅用PCS编号,实际CS由GPIO接管 cfg.clockMode = kDSPI_ClockMode0; cfg.phasePolarity = kDSPI_ClockPhaseFirstEdge; DSSI_MasterInit(MRAM_DSPI_BASE, &cfg, MRAM_DSPI_CLK_FREQ); }

时钟频率选40MHz,这是MR25H40CDF的上限。如果你的PCB走线质量一般,或者经过连接器转接,可以先把频率降到20MHz验证功能,再逐步往上提。实测中40MHz稳定工作没问题,但前提是走线短、地回流干净。另外要注意,DSPI的时钟分频是二分频叠加,实际波特率可能和配置值有微小偏差,只要低于40MHz上限即可,不必纠结精确值。

CS引脚配置为GPIO输出,默认拉高,执行命令时手动拉低拉高。GPIO的速度性能在这里不是瓶颈,因为一条SPI命令短则几微秒,GPIO翻转时间都在纳秒级,完全跟得上市面常见的存储读写节奏。

4.2 命令集与状态寄存器

MR25H40CDF的命令集非常精简,实际用到的就这么几条:

命令操作码功能后续内容
WREN0x06写使能,置位WEL无
WRDI0x04写禁用,清除WEL无
RDSR0x05读状态寄存器返回状态字节
WRSR0x01写状态寄存器状态字节,需要先WREN
READ0x03读数据3字节地址,然后输出数据
WRITE0x02写数据3字节地址,然后输入数据
SLEEP0xB9进入睡眠模式无
WAKE0xAB唤醒无

状态寄存器里最常用的是Bit7的WPEN和Bit1的WEL。WEL是写使能锁存位,发送WREN命令后置位,执行一次WRITE或WRDI后会清除。也就是说,写操作之前必须发WREN,否则写命令会被忽略。这个机制和Flash保持一致,目的就是防止总线上的意外毛刺把数据改写。

有一个很多新手会混淆的点:MRAM不像Flash那样有"忙标志",写完数据不需要轮询WIP位,也不会出现页编程等待。WRITE命令的最后一个字节时钟边沿结束,数据已经物理写入MRAM单元了。这对工业时序设计特别友好,你可以在关断供电前的最后几十微秒内把关键状态写进去,完全来得及。

4.3 完整驱动代码与讲解

我给出一个精简但可直接用的MRAM驱动框架,包含初始化、写使能、读、写、读状态寄存器这些基本操作。因为MKV44F256VLH16的SDK封装了DSPI底层传输,代码可读性会好很多,你直接替换引脚定义和DSPI编号就能用。

#include "fsl_dspi.h" #include "fsl_gpio.h" #include "fsl_port.h" #define MRAM_CS_GPIO_PORT PORTA #define MRAM_CS_GPIO_PIN 10U static void mram_cs_low(void) { GPIO_PinWrite(MRAM_CS_GPIO_PORT, MRAM_CS_GPIO_PIN, 0); } static void mram_cs_high(void) { GPIO_PinWrite(MRAM_CS_GPIO_PORT, MRAM_CS_GPIO_PIN, 1); } void mram_gpio_init(void) { gpio_pin_config_t pin_cfg = {kGPIO_DigitalOutput, 1}; PORT_SetPinMux(MRAM_CS_GPIO_PORT, MRAM_CS_GPIO_PIN, kPORT_MuxAsGpio); GPIO_PinInit(MRAM_CS_GPIO_PORT, MRAM_CS_GPIO_PIN, &pin_cfg); } void mram_write_enable(void) { uint8_t cmd = 0x06; uint8_t rx = 0x00; mram_cs_low(); DSPI_MasterWriteBlocking(MRAM_DSPI_BASE, &cmd, &rx, 1); mram_cs_high(); } uint8_t mram_read_status(void) { uint8_t cmd = 0x05; uint8_t status = 0x00; mram_cs_low(); DSPI_MasterWriteBlocking(MRAM_DSPI_BASE, &cmd, &status, 1); DSPI_MasterWriteBlocking(MRAM_DSPI_BASE, &cmd, &status, 1); mram_cs_high(); return status; } void mram_write_burst(uint32_t addr, const uint8_t *data, uint32_t len) { uint8_t buf[4]; mram_write_enable(); buf[0] = 0x02; buf[1] = (uint8_t)((addr >> 16) & 0xFF); buf[2] = (uint8_t)((addr >> 8) & 0xFF); buf[3] = (uint8_t)(addr & 0xFF); mram_cs_low(); DSPI_MasterWriteBlocking(MRAM_DSPI_BASE, buf, buf, 4); DSPI_MasterWriteBlocking(MRAM_DSPI_BASE, (uint8_t *)data, (uint8_t *)data, len); mram_cs_high(); } void mram_read_burst(uint32_t addr, uint8_t *data, uint32_t len) { uint8_t buf[4]; buf[0] = 0x03; buf[1] = (uint8_t)((addr >> 16) & 0xFF); buf[2] = (uint8_t)((addr >> 8) & 0xFF); buf[3] = (uint8_t)(addr & 0xFF); mram_cs_low(); DSPI_MasterWriteBlocking(MRAM_DSPI_BASE, buf, buf, 4); DSPI_MasterWriteBlocking(MRAM_DSPI_BASE, (uint8_t *)data, (uint8_t *)data, len); mram_cs_high(); }

读状态寄存器那里我故意用了一次多余的发送,原因在于SPI是全双工总线,每一次时钟边沿同时发送和接收。读状态寄存器时,必须先发出0x05命令让MRAM把状态字节放到输出缓冲区,紧接着再产生一个时钟才能把状态字节采回来。所以在mram_cs_low()之后,第一次DSPI_MasterWriteBlocking把命令发出去,第二次发送产生接收时钟,把状态拿到。当然SDK的DSPI_MasterReadBlocking也会有类似逻辑,封装方式不同而已,但你要理解底层的数据流,否则容易把命令位移错。

mram_write_burst的时序要特别说明。整条WRITE命令是连续不中断的:先拉低CS,发送0x02,紧接着发三个地址字节,再连续发送数据字节,全部发完才把CS拉高。MRAM内部会自动把地址递增,所以你可以在一次CS低电平窗口期写入任意长度的连续数据,没有页边界限制。读操作同样如此,一次READ命令可以连续读出多个字节。这里有个细节:如果读操作超过了整个512KB地址空间末尾,地址会回卷到0x00000。工业应用几乎不会把512KB一次读完,但你要知道这个行为存在,别在写环形缓冲的时候让它静默回卷覆盖了配置区。

4.4 为什么CS用GPIO控制而不是硬件PCS

这是我觉得最值得展开的一个设计点。NXP的DSPI硬件PCS引脚可以在配置里设置为自动片选,每一帧传输开始时自动拉低,传输结束后自动拉高。听起来很方便,但问题在于MRAM的一条命令往往由多个字节组成,如果是"命令加地址加数据"的完整传输,必须要求CS在整个过程中保持低电平。而DSPI的PCS在非持续模式下,每个8位帧结束就会释放CS。

要做硬件持续模式也可以,需要配置DSPI的持续模式并配合PCS控制寄存器,把CS在整个传输过程中锁住,传输结束后再由软件释放。这套机制能工作,但多了一层状态管理,在中途发生异常时CS可能保持低电平卡死总线,排查起来比较麻烦。

GPIO控制CS的优点是绝对直观:命令字节发完了吗?地址字节发完了吗?数据字节发完了吗?好,拉高CS。任何一步出错都只是当次传输失败,下一次从拉低CS重新开始。而且GPIO控制CS天然支持"命令和命令之间的任意等待",比如你先发WREN,CS拉高,隔任意时间再发WRITE,不需要给外设寄存器设置状态。所以我统一用GPIO做片选,把whichPcs仅当一个编号占位符,引脚复用为GPIO方式,避免硬件PCS和GPIO同时驱动同一个物理引脚造成冲突。

5. 实际调试中的问题与排查

5.1 常见故障速查表

调试过程中我积累了一张故障对照表,方向感很强,分享出来:

现象可能原因处理方式
读回全是0xFFCS没有拉低或SCK无时钟;WP/HOLD悬空检查GPIO输出是否正确;把WP/HOLD接VDD
数据错位一个字节CS在命令传输中途被拉高,帧被切断确认整条命令期间CS保持低,用GPIO控制
写使能后写命令无效WREN后WEL被意外清除检查WREN到WRITE之间是否执行了其他命令;确认时序
偶尔读出某个位翻转SPI时钟过高,信号完整性差降到20MHz,SCK串22欧电阻,检查地线回流
掉电后上次数据丢失供电在写数据过程中跌落加大去耦电容,确保掉电检测后预留2ms稳定供电
连续写入后数据重叠覆盖地址回卷或环形缓冲越界在驱动里对地址强制掩码并增加边界检查
高温老化后偶发失败温度超过芯片工作范围确认环境温度不超85℃,贴片芯片测温要测本体而非环境

5.2 两个让我印象深刻的bug

第一个bug是CS被硬件PCS和GPIO双重驱动。最初版本硬件上把CS接在DSPI的PCS0引脚上,代码里又开了一个GPIO控制同一条线,结果CS信号被两个输出源叠加,边缘变缓,整个通信时好时坏。后来我把引脚Mux改为纯GPIO,DSPI只用SCK和SOUT、SIN三根线,把所有片选逻辑全部交给GPIO,问题消失。如果你在调试中遇到"时好时坏"的通信故障,第一个要查的就是有没有两个外设模块在驱动同一个引脚。

第二个bug是HOLD引脚悬空惹的祸。原型板上HOLD没接任何东西,导致在连续读写时偶尔出现一帧错位,写128字节的数据读回来前面正确,中间某一段乱了。起初怀疑MRAM坏道,换了芯片还是同样问题。用示波器看HOLD引脚,发现上面有几十毫伏的随机噪声,正好在SCK边沿附近触发了一次HOLD。把HOLD上拉到VDD后,跑了48小时老化测试,一帧都没有错过。这个教训很简单但很贵:MRAM的所有控制引脚,只要数据手册说低有效并且内部没有默认上拉的,统统外部上拉,不要省。

6. 在工业项目中扩展使用

6.1 日志分区与环形缓冲设计

MR25H40CDF的512KB空间在工控数据记录场景里非常充裕,但设计上仍然建议分区使用,不要所有数据都堆在一个地址区间。我推荐三个分区:配置区、日志区、掉电保护区。

配置区放在起始地址0x00000到0x0FFFF,共64KB,存设备序列号、标定参数、通讯地址这类不经常变的数据。每次写配置时先写一个版本号,再做一次读回校验,并且用两个备份区交替写入。如果现场掉电中断了配置更新,下次上电还能从第二个备份恢复,避免设备变成"砖头"。

日志区放在0x10000到0x6FFFF,共384KB,做成环形缓冲。每一条日志固定长度,比如32字节,包含时间戳、状态字、故障码。写指针指向当前写入位置,每写一条日志就移动一次。因为MRAM不怕写,环形缓冲不需要做擦除操作,指针绕圈写就行,比Flash方案简单太多。

掉电保护区放在0x70000到0x7FFFF,共64KB,保存掉电瞬间需要立即记录的状态量。平时不频繁写,只在检测到掉电信号后,利用MCU掉电中断和储能电容提供的最后几毫秒,把电机位置、控制状态、累计脉冲数写进去。上电后先读这个区域,判断上次是否正常断电,再决定是否恢复到掉电前状态。

6.2 几个实际经验

MRAM在逻辑上接近SRAM,但驱动代码里还是建议加一层封装,不要让业务代码直接面对SPI命令。哪怕只是简单封装成mram_write(addr, buf, len)和mram_read(addr, buf, len)两个函数,后续做日志模块、配置模块时也会清爽很多。我甚至在驱动里主动屏蔽了地址越界,凡是地址超过0x7FFFF的请求直接返回错误码,避免环形缓冲写飞后把配置区覆盖掉。

工业现场如果有多个任务同时访问MRAM,比如一个任务写日志,另一个任务读配置,SPI总线会被并发访问。这时需要在驱动层加一个简单的互斥锁,无论是裸机的临界区还是RTOS的互斥信号量,保证每一条MRAM命令都是原子的。不然两个任务交错访问,CS信号会被打断,读回的数据就是乱的。

还有一点是关于掉电检测的优先级。MKV44F256VLH16正常供电在3.3V,当电源管理单元检测到主电源跌落时,要立即关掉外部设备的SPI访问,把总线资源让给掉电保存任务。我自己用了一个比较器做掉电检测,当VDD低于3.0V时触发中断,中断里禁用DSPI的DMA传输,然后只执行一次MRAM写操作。这样即使掉电过程再快,最后几个字节也能稳定写进去。

成本方面,MR25H40CDF的单价比同容量EEPROM贵一些,但考虑到省去的磨损均衡逻辑、调试时间和售后返修,综合成本反而更划算。我现在做电机控制相关的数据保存项目,凡是写入频率高于每分钟一次的选择MRAM,写入频率很低的才用EEPROM。

最后再分享一个小技巧。调试MRAM驱动时,不要一上来就写业务逻辑,先用最简单的命令流验证读写:上电读状态寄存器,发WREN,写一个0x00到0xFFFF的递增序列,再读回比对。这一步通过了,再上自己的业务代码。很多看似玄学的存储问题,最后定位下来都是SPI时序或者电源噪声,先用最小用例把物理链路确定,后面的效率会高很多。

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