试验四流水线及流水线中的冲突

1、实验4流水线及流水线中的冲突一.实验目的(D理解计算机流水线基本概念。(2)理解MIPS结构如何用5段流水线来实现。(3)理解各段的功能和基本操作。(4)加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响。(5)进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突 引起的停顿。二.实验内容和步骤(1)启动 MIPSsim：(2)、根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中 各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。(用鼠标双击各段，就可以看到各流水 寄存器的内容)流水线窗口如下所示：取指令（IF）、指令译码/读寄存器（ID）、执行/访存有效地址计算（EX

2、）、存储器 访问（MEM）、结果写回寄存器（WB）流水寄存器窗口 ：流水寄存器，颖十迸制 十六进制流水寄存器十进制Q 十六进制TF/IU IR = 0IF/IO.MFC = 0ID/EI.A = 01D/EK.B = 0iD/EK.lmm = 0in；EJt.TE =。EX/MEM.iLlTi = 0-IF/IC.IR = 0 x00000000,ir/ll.BTC = 口虱）口如8 如ID/RX.A = OxOOOOMOOOOMOOOOID/EX.E = 0 x000000000000oonoID/EX.Imm = 00000000000000000ID/EX.IE. = OiOOOOOOO

3、DEX/MZN, fd址=QmQQQgoooooooca 一IF : J流水送芝n. ponooooooooooocano it/id.iR=oooooooaooaaoooo it/id. HFC=ooooomooraoooo IFD. RET=OOOOOOOOOaOOOOOOID:吧流水线id. ca hd=o oooaoooo oooo oooID. IflM=OOOaODOOOOOOOOOOID. HPMOODODOOOOOOOOOOID. or 1=0000000000000000TD.OP2=OOODOOOOOOOOOOOOID. IRAFCOHD=DOOOO00000000000T

4、D/EI.MOOOOOOOOOOOOOOOOID/EX.B=OOaODOOOOOOOOOOOID/EI IMII=OOOOOODOOOOOOOOD IB/EM.IR=OQOOOaOOOOOOODOO WEI MT=oooonoooooooooooEX浣水医段 富IX/MEM.ALVOVT=OOOOOOQOOOOQOOQOlEWEM. B=QOOaOQOOOOOOOOOOEVIflEM, FQUIOOaOOOaOOOQOOOQaEVMHM. IR.=OOaOOOOOOOO OOOO 0fiX/MEM.RET=OOOOODOnOOOOOOOOMEM :目流水熟M EM/tfB. ALUDUT-OO

5、OOOOaOOOOOOXO I1EH/IB. FOUT=OOOOMOOOOOOCI flEN/IB. 11=0000000000000000HEN/IB. DW=OOOOOKOOt)OCOOOOM RET=OOOOOOCOOOOOOOOOWB流水线段为空(3)、参照MIPSsim模拟器使用说明，熟悉 MIPSsim模拟器的操作和使用方法。(4)、选择配置菜单中的“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方式下。SHiu幅艮出W-也代0.RFFE-fl i 3 iiihv3BW.M-曲.* WW11 :Hili tg* 二 lt-“也需mim曲加FE 1i可*电一口 E ,再,.鼻口6口占口冷 Fr:

6、; I I I I u I s BM 3 ,1 nn .M p n& b _n Db. EEK .E E E- c E E- E IWWM 配 E 睥凶 MWEF1 A*,可3 *0号中由4 D中.童 6 4 -L ? - J .二- - - ； pi ri ? I I ? r d 4 E I i d A 1S5 whllF.,gfioli:.kJ.*返畤YIILM.h,teti - E EA0EflTunKIE D-grd号.E130。闻 -4E LL t L t EL L L L-L L c LL L L 周，匹一1HKBLKH.5LKGL工RKM.HR* 二一寸Fl = iJhboiXb

7、i IkTiTTkTFiC fT Q UrS I W，= 卷.Cm - 4 IK 11 El - a Lshb k-r. rKiUEn* 口心2皿 aapmcm NibMlfCMd ii|iGQHh lilW1Ei5 dittkdHOUMRM*MM*iM MM 轴wnmmm M0l4li4ldaEMlfl3llllQIalM4lnl$lalMdl 心4巾-0!-0|01。|力工 “载入程序”选项来加载pipeline.s 。* fU4tP!Jirn 4F ISL9机301，/7二0 zo 5b _203八心呼工白工 3010/1/3 T 3口 至己 soigtzi z？a io 4,文件 口畔

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9、（周期数）7执行时间周期数）10僖顿（周期数）：RAW停顿：0 耳中：1口取山停顿：淳宜植瓦0曾呼值顿：0占周期总数的百分比：懿占所有RM僖顿的百分比；01占掰有RU僖顿的百分比：0% 占周期息数的百分比：弘叫流水在国回亘潦玳寄存器 +进制 +六进制IF/ID T7/ID LI/EK. IB/EK.IC/EK IB/EK.EX/NEN1o- O-=A B604sMi 4。41 L衽唐汪闻Tnctruct i cms/Cyel aJJUIOJ frf. 旭0执行周期总数为2时:r-口 P统过tsi;晶i周期总摭2工喉机行小条指令硬件倒置：内存咨量:4096 5加法器个数二1枇行时间（周期额）：6

10、乘法器个数门的行时间（周期数）f除法器个效：1机行时间（周期数）1 0定向机制:不采用副应（蒯数）二鼬W停顿：0占周期总数的百分比：口俎其中二1 0氧停顿: 占所有获W停顿的百分比：口*浮点停顿t 0占所有UW停顿的百分比士族科姗停顿：a占周期总数的百分比：皿濡水寄存器Q +选制十六进制IF/ID. IE = 2365&52S92IF/ID ffPC = 8工DEX A二口ID/II B = 0I0m. Imm = T6ID/ES 工K = 60A5CJ4HDu7盯岫周明原EV MEN, ALUo = 0执行周期总数为3时：r旧婉计I三匡2匣 TOC o 1-5 h z 汇总：*总行周期总敕r

11、工珅鼬行了喇聆健件曹嚏：内存窗里:40QB B加法黑个数t L执行时回（周期数），6乘法器个戴：L执行时间（周M瞰）?卜除法器个数:I执行时间（周期数口口） 定向机制，不采用停顿f周期数）二岫“停顿：1占周期总数的百分比；33. 3333绑其中：1。鼠停顿：LI占斫有仆*停顿的百分比：魄浮,停顿;。占所有MW僖顿的百分比二独W股停顿：0占周期总数的百分比；血四流水柒I三鱼贵2执行周期总数为4时:吧婉计前行周期总数：I筑他行了2条指令硬件削贵；内存普里；4。第B加法器个数：1 乘法器个数：1除法署个数；1 定向机制；不采用执行时间周期数）： 执行时间周期敷）T 执行时间周期数）W偈顿（周岫P :

12、2厅信4觥2占周期总数的百分比二5c篇其中：lQ.d停顿；0占所有RAI停顿的百分比；。%浮点僖顿：0占所有他胃停顿的百分比：0%加留僖顿：0占周期总数的百分比：然充水寄存器+进制0+六进制IB/KI IR = 7032033?EVMEM. ALVo = 76Ki/MEM.R = QEVMEM. IR = 23&565M92岫皿If IrH,加1 fSU fdjDtlrl)HGi2AL hl Ew口国需MEM,氏 LHD = O WtB.AUTo = 76 UEU/VB.IR = 8(K504i1。执行周期总数为5时:*婉计汇总：备猾期总能5段执行了2条指令嬲件甥贵；内存答里：飒的B 加法器个

13、薮：1 乘法器个数：1 除法器个数， 定向机制：不采用执侪洞（周期数）18 执行A捐（周期扣T 饰行H寸间（周期数）io停顿（周期数）：RAW停顿;2 其中；_L+ad停顿；0浮点停标；0WA，停顿；0占周期总数的百分忧；40*占所有比坨僖顿的百分比：Q善占所有丽僖桶的百分比二照占周期总数的百分比；5r |一同流水寄存器 +洱制+六进制工- 匪irIDIF 1iKatruzLL zuiCrclii执行周期总数为13时:汇总：施T周期总新13u段执行TT条*首令F硬件既贵：内存咨里：4036 B加法器个数：1 乘法器个题二1除法器个数：1 定向机制：不采用 执但寸间（靡滕）：B 执行寸间（雕黝）

14、T 执行B寸间（周M瞰）10停顿（周期敏）: RA3僖顿二4 茸中：-1白期停顿：Z一漏! 0TAW僖顿二0占周期总数的百分比：30 76923占所有KAH僖顿的百分比！叼%占所有MW僖心费的百分比：0% 占周期总数的百分比：口达W&.必加少叫iSWS流水寄存器 十进制）+六避制if/id n = aIF/ID HTC = 52ED/EK. A = 4ID/EK. B = 0IB/EK. Iwn = 4IB/EK. lit = ZTJ53E&1ZEX/MEIfl. AL7o 二 03七1 a |Tna trurl: anaJCyrZfi的EM *L M Md $褛 IrE ftO 皿立出,T.

15、白 g %1 Srt-1 axj lu.im需 Lf M，鲫断如qr11LE.口IQRVB口nEICluIDEKIFE14)当执行到第13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是:IF:LW $r4,60($r6)ID :ADDI $r3, $r0,25EX:ADDI $r1,$r1,-1MEM :ADDI $r6,$r0,8WB :ADD $r2,$r1,$r0l代码C: XUae rs kdnini5 tr a to r Appa ta Local .Tettip3C zipi TemD 3地址断点标记机器码流水段在U指令main0 x2 4。8M4c口工U专武，3m,7Eaxooooooo

16、i-0X8D01JJO0LW &rl, 0r3)0 x0000000800 4310004己皿虹3e1, faneOitOOOO 00 oc0 x00000000SLL二二，二OxOOCOOOlO0skCO2O03C充 5r2P 60(5r0ickjg qc qg产方0Q口皿 awTEO SrO.SrOGxOOOOOCl=OzOOOOOOCOSLL.rQ i。fun匕0.10 020120WBADD虹2祥11,审“0 x00000020l)k2 000005MEH4口匚。口二 E口 Jt2 021ETSTEXADD工OxOOCO002SJX2 0030J13IDJODI 亭心OX-2COOO0

17、2C0X3CC4OD3CIFLW r4r 60r6)0 x2(3 00 00300 x10200304BE3 $rl.5r0,rer0 x000000340 x00000300SLL $rC 5r0 h 0ux juUM J山总3小MU L *工方串nr.串工上OXOCOQO03COX1000FFF9BE3 $rC(rO,loopOK3C000040oxoaooaocoSLL $rt. $ rO 0retox0 3E.oaooeJR军心工画出这时的时钟周期图。.t . :EI，,制同Eklfej配己口匚成In5.lnci： j ijd4口LZq3T5inI1ZWHIT 一窃口.用IF二IT而L

18、f口ID51Ml,VI1：LI53JlLLJ11LL11tl17EDflHB郎17 IrE jnf a,IF口T工MET丽二 $rCDIDMAhll励，人工工IFIB齿置由内If(6)、这时各流水寄存器中的内容为:流水寄存署中十进制十六进制IF/IK 工R = 23ST6C525CIF/ID. HTC = 43mm. = oicm. e 二口工/冏工mm = 25工D/EX IE = 53TQ6T545EX/NEV. ALUo = 4W/MEN. B = 0白(/脏=539明913sAE即怕 LMD = 0EV/TB. ALUa = BMEM/TB 工E = 53726113IF/ID.IR

19、:2361655356IF/ID.NPC : 48_ID/EX.A :0 _ID/EX.B :0 _ID/EX.IR :537067545ID/EX.Imm：_25EX/MEM.ALUo4EX/MEM.IR 539099135MEM/WB.LMD 0MEM/WB.ALUo8_MEM/WB.IR 537264136、观察和分析结构冲突对 CPU性能的影响，步骤如下:1）加载 structure_hz.s2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部件。答：结构冲突的指令：ADD.D$f2,$f0,$f1 和 ADD.D$f3,$f0,$f1f W MIFfci.rri |呢-.,-

20、iM E m!一* StfSfFi WT(HJ 向阳阳 *t 口UKI aQ-Wi MifilHiEbEakJ52i01*响ffit* * 1*屋。，n ffr. ffc riZH珅I ” 1=.uci J io. iK.iifisr ALL1.111 H !1. f FlitBTWB|_2|aid 力 ek fbZi f a1IF=T代融=1 H 1在Cs MJseEa ixlnuLn rx?aL州址一呦点归记 na in-二j 二三二=1 An 1二=，-三七二 _ _L 匚年 Ht，. J - 3机器码流水段符号腾令04621 00 80ADD. D f 2 , S； fO- ElUOm

21、 ODOOOCS0 4UH口口口Q。口 a MoaoooaocQj421 OO-CO OM4 t21 白 1 0 口 0 3Dt d 后 r 4 r0 HLLf重。 BLL era 宅LIL专厂由SI.1L 年 sul. era fLL与匚白 SI. IL耳正。 辽L 口SLJU erOE .专至门.若EL 车上00串上L习二工口.1 9 ,与交口.事1 r车工1*覃H再QPO .李工白.O r4x0.0 ,方TO口 冷Htl 白 率或口0 , 0 丁与 HCI 口旃件于市I内存存里；4O9fi P 押法器个触；1 杀法器个劫:I 除法需个利：1定E机制;不乐:用）淳枫周期触一EJM值电币 C

22、耳中：110 dd巾更；0 浑士保屯而：0MAYT信。页: 0地苞回曲门控制乔粮：口昌阳傍怅！ U标用丽白物：口北片日寸同 周Hu料）：& 执疗时同（月配热、T tATTH才同周奥H敬）1U占周惭总翻整I寸分无：%占所停中页的口分比；口济 占所有：RAI值畅的白衿比：口陆 占周期总垓的百分比：业占JS吗2型的白外比士 E5C .GB6BGW四用IWQ曲明百分比二X 上部曲总都的百分比士。脸 占周期总劫的百分比丁加已喉的国亡总mI血片.周期油数E好|1口陕技5 J一不毛才占近褥件改书：商存杳申：406 B.加法器十飙二1 案虫兽子物：L陈达各个鲍工L 走向枳，制：不能用 出行日寸词月期勉3 ：

23、a曲I刊寸同1周期随，T血行日才同 &+1 停顿：n浮点停用甬;C wn竹但短；口自皓伯顿：U上周期聒赦的4分比：L*占所有策口停停邛砧勺百分比：n*占师肓RA*停辆M百分比：O%占周邺聒都的百分tt； g占同期总酷的百分比：M. 23OTTK占用期赌制的百分*:0*占国期总劫的总分比：LHte!j同期的赳的百分此：SD .LrJU YV 结构冲突部件：加法寄存器3）记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。答：结构冲突引起的停顿时钟周期数:9停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比：69.23077%直：I飞旅期总数：IT工口火狐仃取的首芸占周期总数的百分比：

24、皿占所有目州停顿的百分比：憎 占所有汕W停林的百分比：破占周期总数的百分北：悭占周期总数的百分比；6e,23Q77X占圄期总数的百分比；Q占周期总数的百分比；0%占周期总数的百分比；班.明口丁真载件期羞二内存答置:40U B加法碧个凝;1乘注器个数;1除法患个数;1 定向机制：不采用I停赖期& ：JW停顿：其曲-load停顿：0浮点6顿;0用朋阚缸0I结构荷瓦9 |控制僖顿；0自昭信顿；0信赖御年；包拗行时间（冏期数）：6忱体寸间（msi）t 执行时间（周期数）104）把浮点加法器的个数改为4个。U一e巨CH3frtts iffi地停幡的互讨比，慎斯停鼓的与日比：m十比：川q：W醛理5q：8y

25、白：中BftapDaiaHc同举工切口;善口篦31已m: * 地址解点播记状籍 盅求歧符司指令maix teaOOftOQG4 OJtCCCCCCCi CjcCCCCCCCC Okcogooeio djtccccccn jXCCC. Clli Gj(C：C.：C.：1C CxC-CCCCZC oxooaonasi GXl Cxi 5 Omi OXI ax Car i3x46210*=!AOD.D f2r；f3r?f 11x462100CC DX42L010a 5x4621014C 2K46210ieCDxdfilLOlCO。冀旧工口20ADD.DADD+D mXMlADD.D $f5,f3rf

26、l03. D f fSr；f3rf 11DD.D Sf7,5f3BSflAIJChD 工31工【电1tti621024CWDUD.D 审f3.$*12k3DODOC3EXTEQ&X.3003000CIDSLL 6上。/冲二三西F通用萧十设ooo ooo O u二一_二一一1二- KIR;sskx 四前忻诛酊 - 1 sir 方PC - OkI 5 = Oh H：二 Ok FCSK =匕3TMfu itADJ D tfTEi $2ELL 3tU.：汇总：皓顺日0口段执行了口柒指令硬用8密执行时间，周期数）：6执行时间（周期数）7除法罟个数：1执行时间（周期数）10定向机制：采用停顿f磁数）：他I

27、信颠:0占周期总额的百分比二找其中：1口&彝顿：0占所有财苗停顿的百分比：口胃浮点停顿；0占所有岫W停电就百务比：0%淄停顿;0占周期总额的百分比：L5）再次重复步骤1）-步骤3）的工作。）力口载 structure_hz.s 。2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部件。 JF 却匕5U占同期足仙刖四分OK占E斤RA情伫市币的吕玲匕匕:。抬占削内KAW传中融）咕1分匕屋。需占同期屋* Jr 口勺匚1分1小口帕&a曲就小百3目” E占同的曲林年1百衿匕匕H皿占国MJI总触白与白玷t：匕二u总占周期H触口勺日“K5 0%眠耳西班土的力甲:立口9c 力口法35个触，4 融法史个

28、触：L摩法;期11 1i.1 s ij VLUn I = 不用.丽李树13匚闿苴用W.）：fcAWfetft nHR ：o 0 dIRf z O 券点a班：府市 |件中而三口 白吁京aMi=： 口 Ka*扁画瓦萩上门t女竹日寸同同HJ1春布?；0由1日寸间也罔列扭力” 7 uu?njtu “司灿舞Iiu占用MSJH朝1的mH比；OW占所有RAW之怀的n野此，：口售士助 A、AH仔钝i的直纣比：Oft士周吆息3ft汕当分比：UAJ 冏如总加口讨白廿比1 14 P-rift占用an品加甲1百分出：口*2 周麓目IS#白勺白勺比：毋上啕叫给时白勺白力比：14. lUb flU内T?科生：4rlM b

29、 力俄aET热4 速网器大M 隙法器小轴91 定向机制：不采用I作中用固期M3 中标；u工口也后亦於0 浮臣停悌：WAWtejjy； U丽花仙工|二时ITS枷二口 白H鼠鼻S：! 口一4国调苗赢：1执行时匕周期熟）工H1A行日寸同宜期勤7 执行日寸同f同曲激）1O答：结构冲突的指令：ADD.D$f4,$f0,$f1 和 ADD.D$f5,$f0,$f1,结构冲突部件：加法寄存器3）记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占总执行 周期数的百分比。占周期总数的百分比！ o%占所有RM停顿的百分比：0% 占所有IM停顿的百分比；M 占周期总敕的百分比：皿 占周期总数的百分比；14-2

30、6571U 占周期总数的百分比：皿.占周期总蓟的百芬比；0%| 苫浪而痣制的台屈匕14脚|硬ftaat：内存容量：4D36 B加法器个数；4乘法器个数：1除法器个数：1_ 定向机制;不采用僖顿（周期数）：RA百僖顿！ C其中11口直d僖顿：0浮点停顿：0W解停顿：0结椅僖顿：1控制僖顿;0自陷停顿：0停顿周期总数；1执行时间周S滕I）： 6执行时间1周期数）7执行时间（周耀k） io答：结构冲突引起的停顿时钟周期数：1停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比：14.28571%6）分析结构冲突对CPU性能的影响，讨论解决结构冲突的方法。答：对CPU生能的影响：当发生冲突时，流水线会发生停顿，从而降

31、低了 cpu 的性能。解决方法：在流水线处理机中设置相互独立的指令存储器和储存器（8）、观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下：1）全部复位。（所有的都回到最初状态）I PWtifi. Tw nMlli kfliL- Ki理及 teniLWTT彳号*E由三01! ww jmm： c船硒bhi i1. !.色事出ijSm T布14 m ikqifi fti 0tTF南二 FI碑1则购w鞘：心百mvi怙引打瞬N4uMri，中后酊91-wc eSFinuripwnEtt： os*UU2ttr 二通的叫口 ：kj #必 Et ：x： iy：:. j 崎 口.x.:*穹国:iq：k： 1ML二 m

32、 3：*o:e ：hM-EO ：k rrt7iD eqrsi TMDcrniLluuuLkLIJjuEJL匚 Hun u u 0 d E 4- s a- 3 - r- 3 r- BB. V,|喘-:-1.!:- - 1 I- naE-rlFrrLatsir凝 EmSL2. .哈* 氯 aira.- r- iwfin wfFl 二 UmfftaJM n r Tmrffc*Frj 仁=nmtmE r4 r utuuru匹 if r. i-rnrtir.- n e luuiuphiTFi E- IK P 1W h 71 口 CJ，Q 臼03crmi* MM十汨呻IFiO li - a产toGGWC1

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34、计！g_司一刀言行周期总数:0工口段执行了口条指令 w 硬件渐浅；内存客里：4096 B加法含小数！ 4比行时间（周期数）：6乘法器个麴：】也行时间周期数7除法署上数：1.也行时间周期数）10定向统制：不/亩停顿（周期数）：岫嘘顿；占周期总数的百分比；0X其中：1皿d停顿：o占所有鼬W停顿的百分比：0*浮点僖顿：0占断有岫”徽贡的百分比：0,岫僖顿;0占周期总数的百分比：0%4）单步执行一个周期，同时查看时钟周期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突。4、5、6、8、9、10、12、13、16、17、19、20、24、25、26、27、28、31、32、35、36、38、39 周期发生

35、了 RAM突5）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数及程序执行的总时钟周期数，计算 停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。q-ti -Hh行用期堵71段执行了四条指令裨件固置二内存容量：4096 E 加法器个数；1 乘法器个数；1 除法寄个个：1 身向机制：不枭用执行时间（周联数）, 6执行时间网魄0 T桃行时间（周期数）10| 顿周期数）：|品W停顿：其中，一Lad信顿：8 浮点丽:0 WAT停顿；0 结相信顿：0 控制僖顿：2 agjgfe 口占用期总数的百分比：附.g7工5占图有RAW信顿的百分比：38. OT524ft 占所有RAH停顿的百分比：0K 占周期总数的百分比；骐 占周期总薮的百

36、分比：映 占周期总数的百分比：4. 651163胃 占周期总数的百分比：3力百分比:弓二4喷磔I数据冲欠引起的停顿时钟周期数：23程序执行的总时钟周期数：43停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比：53.48837%6）复位CPUsm RF-it)由加Mi 忖*中 m|工4171SWir.iJ= Till百附：5Ml 白口iWHVlh 总际二 口h.3i巾占U?4Mo中比i n J片土iR L 如2加11口H10C刖钠I4N1门!”1姆g gui acuiiuaagggHqag 皿3diwfa，4O，l3smejc4im mm iC 配I 14讨 二hEHEIH二E笠1口口M = chMMWh

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40、、13、18、20、22、24、25、30、32、34、36、37周期发生了 RAM突.HrHCS：XCMMOOO&XC9QUXX， . 8888“09CUMM88882433cwMooancok20umame 岫MOttMuc38g4trtacwnrs688004，Emxx8888CSOOCX 乂CK888NB900QR868800,4CS900QMMACX90OCMOCS888XdaOOMMM888M3UR0M3X10009算“：1口 or* *上心：二：二加宜七2：工, - u ；-euJI A -u 210A：* .心 Mi.aii.MlJB I，ur”*：a.：2.4 +*j+T *

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