Lenguajes de Interfaz - Unidad III

Unidad III - Introducción al lenguaje ensamblador


1.1 Importancia de programación en  lenguaje ensamblador.

El lenguaje ensamblador es un tipo de lenguaje de bajo nivel utilizado para escribir programas informáticos, y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura de microprocesador.

La importancia del lenguaje ensamblador es principalmente que se trabaja directamente con el microprocesador; por lo cual se debe de conocer el funcionamiento interno de este, tiene la ventaja de que en el se puede realizar cualquier tipo de programas que en los lenguajes de alto nivel no lo pueden realizar. Otro punto sería que los programas en ensamblador ocupan menos
espacio en memoria.

1.2 El procesador y sus registros internos.
Los registros del procesador se emplean para controlar instrucciones en ejecución, manejar direccionamiento de memoria y proporcionar capacidad aritmética. Los registros son direccionable por medio de un nombre. Los bits por convención, se numeran de derecha a izquierda.

Registros de segmento
Un registro de segmento tiene 16 bits de longitud y facilita un área de memoria para direccionamiento conocida como el segmento actual.
Registro CS. El DOS almacena la dirección inicial del segmento de código de un programa en el registro CS. Esta dirección de segmento, más un valor de desplazamiento en el registro apuntador de instrucción (IP), indica la dirección de una instrucción que es buscada para su ejecución.

Registro DS. La dirección inicial de un segmento de datos de programa es almacenada en el registro DS. En términos sencillos, esta dirección, más un valor de desplazamiento en una instrucción, genera una referencia a la localidad de un byte específico en el segmento de datos.

Registro SS. El registro SS permite la colocación en memoria de una pila, para almacenamiento temporal de direcciones y datos. El DOS almacena la dirección de inicio del segmento de pila de un programa en el registro SS. Esta dirección de segmento, más un valor de desplazamiento en el registro del apuntador de pila (SP), indica la palabra actual en la pila que está siendo direccionada.

Registros ES. Algunas operaciones con cadenas de caracteres (datos de caracteres) utilizan el registro extra de segmento para manejar el direccionamiento de memoria. En este contexto, el registro ES está asociado con el registro DI (índice). Un programa que requiere el uso del registro ES puede inicializarlo con una dirección de segmento apropiada.

Registros FS y GS. Son registros extra de segmento en los procesadores 80386 y posteriores.

Registros de propósito general.

Los registros de propósito general AX, BX, CX y DX son los caballos de batalla del sistema. Son únicos en el sentido de que se puede direccionarlos como una palabra o como una parte de un byte. El último byte de la izquierda es la parte "alta", y el ultimo byte de la derecha es la parte "baja". Por ejemplo, el registro CX consta de una parte CH (alta) y una parte Cl (baja), y usted puede referirse a cualquier parte por su nombre.

Registro AX. El registro AX, el acumulador principal, es utilizado para operaciones que implican entrada/salida y la mayor parte de la aritmética. Por ejemplo, las instrucciones para multiplicar, dividir y traducir suponen el uso del AX. También, algunas operaciones generan código más eficiente si se refieren al AX en lugar de a los otros registros.



Registro BX. El BX es conocido como el registro base ya que es el único registro de propósito general que puede ser índice para direccionamiento indexado. También es común emplear el BX para cálculos.

Registro DX. El DX es conocido como el registro de datos. Alguna operación de entrada/salida requieren uso, y las operaciones de multiplicación y división con cifras grandes suponen al DX y al AX trabajando juntos.


Pude usar los registros de propósito general para suma y resta de cifras de 8, 16 o 32 bits.

Registro de Apuntador de Instrucciones.
El registro apuntador de instrucciones (IP) de 16 bits contiene el desplazamiento de dirección de la siguiente instrucción que se ejecuta. El IP está asociado con el registro CS en el sentido de que el IP indica la instrucción actual dentro del segmento de código que se está ejecutando actualmente. Los procesadores 80386 y posteriores tienen un IP ampliado de 32 bits, llamado EIP.

Registros Apuntadores.
Los registros SP (apuntador de la pila) Y BP (apuntador de base) están asociados con el registro SS y permiten al sistema accesar datos en el segmento de la pila. Registro SP. El apuntador de la pila de 16 bits está asociado con el registro SS y proporciona un valor de desplazamiento que se refiere a la palabra actual que está siendo procesada en la pila. Los procesadores 80386 y posteriores tienen un apuntador de pila de 32 bits, el registro ESP. El sistema maneja de forma automática estos registros.
En el ejemplo siguiente, el registro SS contiene la dirección de segmento 27B3 [0]H y el SP el desplazamiento 312H. Para encontrar la palabra actual que está siendo procesada en la pila, la computadora combina las direcciones en el SS y el SP:


Registro BP. El BP de 16 bits facilita la referencia de parámetros, los cuales son datos y direcciones transmitidos vía pila. Los procesadores 80386 y posteriores tienen un BP ampliado de 32 bits llamado el registro EBP.

Registros Índice.
Los registros SI y DI están disponibles para direccionamiento indexado y para sumas y restas.

Registro SI. El registro índice fuente de 16 bits es requerida por algunas operaciones con cadenas (de caracteres). En este contexto, el SI está asociada con el registro DS. Los procesadores 80386 y posteriores permiten el uso de un registro ampliado de 32 bits, el ESI.

Registro DI. El registro índice destino también es requerido por algunas operaciones con cadenas de caracteres. En este contexto, el DI está asociado con el registro ES. Los procesadores 80386 y posteriores permiten el uso de un registro ampliado de 32 bits, el EDI.

Registro de Banderas.
De los 16 bits del registro de banderas, nueve son comunes a toda la familia de procesadores 8086, y sirven para indicar el estado actual de la máquina y el resultado del procesamiento. Muchas instrucciones que piden comparaciones y aritmética cambian el estado de las banderas, algunas cuyas instrucciones pueden realizar pruebas para determinar la acción subsecuente.

OF (Overflow, desbordamiento). Indica desbordamiento de un bit de orden alto (más a la izquierda) después de una operación aritmética.

DF (dirección). Designa la dirección hacia la izquierda o hacia la derecha para mover o comparar cadenas de caracteres.

IF (interrupción). Indica que una interrupción externa, como la entrada desde el teclado, sea procesada o ignorada.

TF (trampa). Permite la operación del procesador en modo de un paso. Los programas depuradores, como el DEBUG, activan esta bandera de manera que usted pueda avanzar en la ejecución de una sola instrucción a un tiempo, para examinar el efecto de esa instrucción sobre los registros de memoria.

SF (signo). Contiene el signo resultante de una operación aritmética (0 = positivo y 1 = negativo).

ZF (cero). Indica el resultado de una operación aritmética o de comparación (0 = resultado diferente de cero y 1 = resultado igual a cero).

AF (acarreo auxiliar). Contiene un acarreo externo del bit 3 en un dato de 8 bits para aritmética especializada.

PF (paridad). Indica paridad par o impar de una operación en datos de 8 bits de bajo orden (más a la derecha).

CF (acarreo). Contiene el acarreo de orden más alto (más a la izquierda) después de una operación aritmética; también lleva el contenido del ultimo bit en una operación de corrimiento o de rotación.

Las banderas están en el registro de banderas en las siguientes posiciones:


1.3 La memoria principal (RAM).
La memoria principal o primaria (RAM) es aquella memoria de un ordenador, donde se almacenan temporalmente tanto los datos como los programas que la CPU está procesando o va a procesar en un determinado momento. Por ejemplo, cuando la CPU tiene que ejecutar un programa, primero lo coloca en la memoria y después lo empieza a ejecutar.

Otros andarán más rápido si el sistema cuenta con más memoria RAM. La memoria Caché: dentro de la memoria RAM existe una clase de memoria denominada Memoria Caché que tiene la característica de ser más rápida que las otras, permitiendo que el intercambio de información entre el procesador y la memoria principal sea a mayor velocidad.

Está formada por bloques de circuitos integrados o chips capaces de almacenar, retener o "memorizar" información digital, es decir, valores binarios; a dichos bloques tiene acceso el microprocesador de la computadora. La MP se comunica con el microprocesador de la CPU mediante el bus de direcciones.

El ancho de este bus determina la capacidad que posea el microprocesador para el direccionamiento de direcciones en memoria. En algunas oportunidades suele llamarse "memoria interna" a la MP, porque a diferencia de los dispositivos de memoria secundaria, la MP no puede extraerse tan fácilmente por usuarios no técnicos.

La MP es el núcleo del sub-sistema de memoria de una computadora, y posee una menor capacidad de almacenamiento que la memoria secundaria, pero una velocidad millones de veces superior. Si tienes más memoria almacenas más datos.

Características de la Memoria
Las magnitudes importantes que caracterizan la Memoria Central o Principal son:

- Capacidad o tamaño de la misma. El número de miles de posiciones que contiene. Normalmente se expresan en K. palabras, aunque en los ordenadores personales al ser las palabras de 8 bits se expresan en K-bytes. En la actualidad, el tamaño de la palabra es múltiplo del byte, ya que de esta forma el acceso a la misma puede hacerse desde uno al ancho máximo del bus de datos, ahorrando en muchos casos tiempo. Así tendremos palabras de 8, 16, 32, 64 bits y capacidades de siempre medidas en potencia de dos: 8, 16, 64, 128 K, etc. (siendo 1K igual a 1025).

- Tiempo de Acceso. Es el tiempo que invierte el ordenador desde que se emite la orden de lectura-escritura, hasta que finaliza la misma. Este tiempo es muy pequeño, y de él depende la potencia del ordenado. Son típicos tiempos del orden de micro segundos e incluso del orden de 2 a 10 nano segundos.


- El tamaño de la celda define su anchura de palabra, y viene fijado por el ancho del registro de información de memoria. Si la palabra interna es superior a la de la memoria, necesitara hacer más de un acceso para conseguir toda la información.



1.4 El concepto de interrupciones.
Una interrupción es el rompimiento en la secuencia de un programa para ejecutar un programa especial llamando una rutina de servicio cuya característica principal es que al finalizar regresa al punto donde se interrumpió el programa.

Dentro de una computadora existen dos clases de interrupciones:

Interrupciones por software: Son aquellas programadas por el usuario, es decir, el usuario decide cuando y donde ejecutarlas, generalmente son usadas para realizar entrada y salida.

Interrupciones por hardware: Son aquellas que son provocadas por dispositivos externos al procesador su característica principal es que no son programadas, esto es, pueden ocurrir en cualquier momento en el programa.
Existen dos clases de interrupciones de este tipo:
Interrupciones por hardware enmascarables: Aquellas en las que el usuario decide si quiere o no ser interrumpido.
Interrupciones por hardware no enmascarables (NMI): Aquellas que siempre interrumpen al programa.
Las interrupciones por software se ejecutan con ayuda de las instrucciones: INT e IRET, además se tiene 256 interrupciones: de la 00 a la FF.

Asociado al concepto de interrupción se tiene un área de memoria llamada vector de interrupciones; la cual contiene las direcciones de las rutinas de servicio de cada interrupción. Esta área se encuentra en el segmento 0000:0000.

Una interrupción es una situación especial que suspende la ejecución de un programa de modo que el sistema pueda realizar una acción para tratarla. Tal situación se da, por ejemplo, cuando un periférico requiere la atención del procesador para realizar una operación de E/S.

Las interrupciones constituyen quizá el mecanismo más importante para la conexión del microcontrolador con el mundo exterior, sincronizando la ejecución de programas con acontecimientos externos.
Pasos para el procesamiento:

1.Terminar la ejecución de la instrucción máquina en curso.

2.Salva el valor de contador de programa, IP, en la pila, de manera que, en la CPU, al terminar el proceso, pueda seguir ejecutando el programa a partir de la última instrucción.

3.La CPU salta a la dirección donde está almacenada la rutina de servicio de interrupción (ISR, Interrupt Service Routine) y ejecuta esa rutina que tiene como objetivo atender al dispositivo que generó la interrupción.

4. Una vez que la rutina de la interrupción termina, el procesador restaura el estado que había guardado en la pila en el paso 2 y retorna al programa que se estaba usando anteriormente.

1.5 Llamadas a servicios del sistema.

Es el mecanismo usado por una aplicación para solicitar un servicio al sistema operativo.

Las llamadas al sistema comúnmente usan una instrucción especial de la CPU que causa que el procesador transfiera el control a un código privilegiado. Previamente especificado por el mismo código. Esto permite al código privilegiado especificar donde va a ser conectado, así como el estado del procesador.


Cuando una llamada al sistema es invocada, la ejecución del programa que invoca es interrumpida y sus datos son guardados, normalmente en su PCB (Bloque de Control de Proceso del inglés Process Control Block), para poder continuar ejecutándose luego. El procesador entonces comienza a ejecutar las instrucciones de código de alto nivel de privilegio, para realizar la tarea requerida. Cuando esta finaliza, se retorna al proceso original, y continúa su ejecución. El retorno al proceso demandante no obligatoriamente es inmediato, depende del tiempo de ejecución de la llamada al sistema y del algoritmo de planificación de CPU.

Algunos ejemplos de llamadas al sistema son las siguientes:

Time: permite obtener la fecha y hora del sistema.
Write: se emplea para escribir un dato en un cierto dispositivo de salida, tales como una pantalla o un disco magnético.
Read: es usada para leer de un dispositivo de entrada, tales como un teclado o un disco magnético.
Open: es usada para obtener un descriptor de un fichero del sistema, ese fichero suele pasarse a write.

1.6 Modos de direccionamiento.

El campo de operación de una instrucción especifica la operación que se va a ejecutar. Esta operación debe realizarse sobre algunos datos almacenados en registros de computadora o en palabras de memoria. La manera en que eligen los operandos durante la ejecución del programa depende del modo de direccionamiento de la instrucción. El modo de direccionamiento especifica una regla para interpretar o modificar el campo de dirección de la instrucción antes de que se haga la referencia real al operando. Las computadoras utilizan técnicas de modo de direccionamiento para acomodar una o las dos siguientes consideraciones:

1. Proporcionar al usuario versatilidad de programación al ofrecer facilidades como apuntadores a memoria, contadores para control de ciclo, indexación de datos y reubicación de datos.
2. Reducir la cantidad de bits en el campo de direccionamiento de la instrucción.

La disponibilidad de los modos de direccionamiento proporciona al programador con experiencia en lenguaje ensamblador la flexibilidad para escribir programas más eficientes en relación con la cantidad de instrucciones y el tiempo de ejecución.

Para comprender los diferentes modos de direccionamiento que se presentaran en esta sección, es imperativo entender el ciclo de operación básico de la computadora. La unidad de control de una computadora está diseñada para recorrer un ciclo de instrucciones que se divide en tres fases principales:

1. Búsqueda de la instrucción de la memoria.
2. Decodificar la instrucción.
3. Ejecutar la instrucción.

Hay un registro en la computadora llamado contador de programa o PC, que lleva un registro de las instrucciones del programa almacenado en la memoria. Pc contiene la dirección de la siguiente instrucción que se va a ejecutar y se incrementa cada vez que se recupera una instrucción de la memoria. La decodificación realizada en el paso 2 determina la operación que se va a ejecutar, el modo de direccionamiento de la instrucción y la posición de los operandos.

Después la computadora ejecuta la instrucción y regresa al paso 1 para hacer la
búsqueda de la siguiente instrucción en secuencia.

En algunas computadoras el modo de direccionamiento de la instrucción se especifica con un código binario distinto, como se hace con el código de operación. Otras computadoras utilizan un código binario único que representa la operación y el modo de la instrucción. Pueden definirse instrucciones con diversos modos de direccionamiento y, en ocasiones, se combinan dos o más modos de direccionamiento en una instrucción.

Aunque la mayoría de los modos de direccionamiento modifican el campo de dirección de la instrucción, hay dos modos que no necesitan el campo de dirección. Son los modos implícito e inmediato.

MODO IMPLÍCITO.
En este modo se especifican los operandos en forma implícita en la definición de la instrucción. Por ejemplo, la instrucción "complementar acumulador" es una instrucción de modo implícito porque el operando en el registro de acumulador está implícito en la definición de la instrucción. De hecho, todas las instrucciones de referencia a registro que utilizan un acumulador son instrucciones de modo implícito.
Las instrucciones de dirección cero en una computadora organizada con pila son instrucciones de modo implícito porque está implícito que los operandos están en la parte superior de la pila.

MODO INMEDIATO.
En este modo se especifica el operando en la instrucción misma. En otras palabras, una instrucción de modo inmediato tiene un campo operando, en lugar de un campo de dirección. Un campo de operando contiene el operando real que se va a usar junto con la operación especificada en la instrucción. Las instrucciones de modo inmediato son útiles para inicializar registros en un valor
constante.

Se mencionó antes que el campo de dirección de una instrucción puede especificar una palabra de memoria o un registro de procesador. Cuando el campo de dirección especifica un registro de procesador se dice que la instrucción está en modo de registro.

MODO DE REGISTRO.
En este modo, los operandos están en registros que residen dentro de la CPU. Se
selecciona el registro particular de un campo de registro en la instrucción. Un
campo k bits puede especificar cualquiera de 2 a la k registros.

MODO INDIRECTO POR REGISTRO.
En este modo la instrucción especifica un registro en la CPU cuyo contenido proporciona la dirección del operando en la memoria. En otras palabras, el registro seleccionado contiene la dirección del operando en lugar del operando mismo. Antes de utilizar una instrucción de modo indirecto por registro, el programador debe asegurarse de que la dirección de memoria del operando está colocada en el registro del procesador con una instrucción previa. Entonces una referencia al registro es equivalente a especificar una dirección de memoria. La ventaja de una
instrucción de modo de registro indirecto es que el campo de dirección de la instrucción utiliza menos bits para seleccionar un registro de los que necesitaría para especificar una dirección de memoria en forma directa.

MODO DE DIRECCIONAMIENTO DIRECTO.
En este modo la dirección efectiva es igual a la parte de dirección de la instrucción. El operando reside en memoria y su dirección la proporciona en forma directa el campo de dirección de la instrucción. En una instrucción de tipo brinco el campo de dirección especifica la dirección de transferencia de control del programa real.

MODO DE DIRECCIONAMIENTO INDIRECTO.
En este modo, el campo de dirección de la instrucción proporciona la dirección en que se almacena la dirección efectiva en la memoria. El control recupera la instrucción de la memoria y utiliza su parte de dirección para accesar la memoria una vez más con el fin de leer la dirección efectiva.

Unos cuantos modos de direccionamiento requieren que el campo de dirección de la instrucción se sume al contenido de un registro específico en la CPU. En estos modos la dirección efectiva se obtiene del cálculo siguiente: Dirección efectiva = Parte de la instrucción + El contenido de registro CPU.
EL registro de CPU utilizado en el cálculo puede ser el contador de programa, un registro de índice o un registro base. En cualquier caso, tenemos un modo de direccionamiento diferente que se utiliza para una aplicación distinta.

MODO DE DIRECCIONAMIENTO INDEXADO.
En este modo el contenido de un registro índice se suma a la parte de dirección de la instrucción para obtener la dirección efectiva. El registro índice es un registro CPU especial que contiene un valor índice. Un campo de dirección de la instrucción define la dirección inicial del arreglo de datos en la memoria. Cada operando del arreglo se almacena en la memoria en relación con la dirección
inicial.

La distancia entre la dirección inicial y la dirección del operando es el valor del índice almacenado en el registro de índice. Cualquier operando en el arreglo puede accesarse con la misma instrucción siempre y cuando el registro índice contenga el valor de índice correcto. El registro índice puede incrementarse para facilitar el acceso a operandos consecutivos. Nótese que, si una instrucción de tipo índice no incluye un campo de dirección en su formato, la instrucción se convierte al modo de operación de indirecto por registro.

Algunas computadoras dedican un registro de CPU para que funcione exclusivamente como un registro índice. De manera implícita este registro participa cuando se utiliza una instrucción de modo índice. En las computadoras con muchos registros de procesador, cualesquiera de los registros de la CPU pueden contener el número de índice. En tal caso, el registro debe estar especificado en forma explícita en un campo de registro dentro del formato de instrucción.

MODO DE DIRECCIONAMIENTO DE REGISTRO BASE.

En este modo, el contenido de un registro base se suma a la parte de dirección de la instrucción para obtener la dirección efectiva. Esto es similar al modo de direccionamiento indexado, excepto en que el registro se denomina ahora registro base, en lugar de registro índice. La diferencia entre los dos modos está en la manera en que se usan más que en la manera en que se calculan. Se considera que un registro base contiene una dirección base y que el campo de dirección de la instrucción proporciona un desplazamiento en relación con esta dirección base. El modo de direccionamiento de registro base se utiliza en las computadoras para facilitar la localización de los programas en memoria.

1.7 Proceso de ensamblado y ligado.

EDICION
Los archivos fuente de código ensamblador deben estar en formato ASCII standard. Para esto puede usarse cualquier editor que permita crear archivos sin formato, e.g. Edlin, Edit, Write, El editor del Turbo Pascal, Works, Word, WordStar, etcétera. Las declaraciones pueden ser introducidas en mayúsculas y/o minúsculas. Una buena práctica de programación es poner todas las palabras reservadas (directivas e instrucciones) en mayúsculas y todo lo del usuario en minúsculas para fines de facilidad de lectura del código.
Las sentencias pueden comenzar en cualquier columna, no pueden tener más de 128 caracteres, no se permiten lineas múltiples ni códigos de control, y cada línea debe ser terminada con una combinación de line-feed y carriage-return. Los comentarios se declaran con; y terminan al final de la línea.

ENSAMBLADO
El ensamblado se lleva a cabo invocando al MASM. Este puede ser invocado, usando una línea de comando, de la siguiente manera:
MASM archivo [,[objeto][,[listado][,[cross]]]]][opciones][;]
Dónde:
Objeto. - Es el nombre para el archivo objeto.
Listado. - Nombre del archivo de listado de ensamblado. cross. Es un archivo de referencias cruzadas.

LINK
De la misma forma que el ensamblado, la fase de liga se lleva a cabo con el LINK. Este puede ser invocado de la misma forma que el MASM. Los parámetros que este requiere son:
LINK objeto [,[ejecutable][,[mapa][,[librería]]]]][opciones][;]
dónde:
Objeto. - Es el nombre para el archivo .OBJ
Ejecutable. - Nombre del archivo .EXE
Mapa. - Nombre del archivo mapa
Librería. - Nombre del archivo biblioteca de rutinas

EJECUCION

Para la ejecución del programa simplemente basta teclear su nombre en el prompt de MS-DOS y teclear ENTER. Con esto el programa será cargado en memoria y el sistema procederá a ejecutarlo. El proceso completo para poder crear un programa ejecutable con el Microsoft Macro Assembler se muestra abajo.

Pasos para llevar a cabo el proceso:
1. El programa utiliza un editor de texto para crear un archivo de texto ASCII, conocido como archivo de código fuente.

2. El ensamblador lee el archivo de código fuente y produce un archivo de código objeto, una traducción del programa a lenguaje máquina. De manera opcional, produce un archivo de listado. Si ocurre un error, el programador debe regresar al paso 1 y corregir el programa.

3. El enlazador lee el archivo de código objeto y verifica si el programa contiene alguna llamada a los procedimientos en una biblioteca de enlace. El enlazador copia cualquier procedimiento requerido de la biblioteca de enlace, lo combina con el archivo de código objeto y produce el archivo ejecutable. De manera opcional, el enlazador puede producir un archivo de mapa.

4. La herramienta cargadora (loader) del sistema operativo lee el archivo ejecutable y lo carga en memoria, y bifurca la CPU hacia la dirección inicial del programa, para que éste empiece a ejecutarse. 

1.8 Desplegado de mensajes en el monitor.
Para poder desplegar los mensajes en lenguaje ensamblador es preciso conocer primero la estructura del lenguaje ensamblador, la cual es:

Palabras reservadas:
PAGE: designa el número máximo de líneas para listar en una página y el número máximo de caracteres en una línea.
TITLE: para hacer que un título en un programa se imprima en la línea 2 de cada página en el listado del programa.
SEGMENTS Y ENDS
ASSUME

- Identificadores: nombre que se le da a algunos elementos del programa.
- Operación.
- Operando.

Todos los gráficos y el texto que se muestran en el monitor se escriben en la RAM de visualización de video, para después enviarlos al monitor mediante el controlador de video. El controlador de video es en sí un microprocesador de propósito especial, que libera a la CPU principal del trabajo de controlar el hardware de video.


Un monitor de pantalla de cristal líquido (LCD) digital directo recibe un flujo de bits digitales directamente desde el controlador de video, y no requiere del barrido de trama. 

Referencias:

Consultado en: itpn.mx
Año de publicación: s.f.
Título del artículo: Unidad 1 - Introducción al lenguaje ensamblador 
Fecha de recuperación del documento: 24-04-2020

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