X86微处理器及其体系结构.ppt

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1、1 第 3章 80X86微 处 理 器 及 其 体 系 结 构本 章 主 要 教 学 内 容v 8086微 处 理 器 的 基 本 性 能 指 标 、 组 成 及 其 寄 存 器 结 构 v 8086微 处 理 器 的 外 部 引 脚 特 性 v 8086微 处 理 器 的 存 储 器 和 I/O组 织v 8086的 时 钟 和 总 线 概 念 及 其 最 小 /最 大 工 作 方 式 v 80286、 80386、 80486等 高 档 微 处 理 器 教 学 目 的 : 使 学 生 掌 握 80X86微 处 理 器 的 基 本 使 用 教 学 重 点 : 8086微 处 理 器 的 组 成

2、 及 其 寄 存 器 结 构 ; 8086 微 处 理 器 的 存 储 器 和 I/O组 织 教 学 难 点 : 8086微 处 理 器 的 存 储 器 和 I/O组 织 2 3.1 8086微 处 理 器 的 内 部 结 构 微 型 计 算 机 是 由 具 有 不 同 功 能 的 一 些 部 件 组 成 的 , 包 含 运算 器 和 控 制 器 电 路 的 大 规 模 集 成 电 路 , 称 为 “ 微 处 理 器 ” , 又称“ 中 央 处 理 器 ( CPU) ” , 其 职 能 是 执 行 算 术 /逻 辑 运 算 , 并负 责控 制 整 个 计 算 机 系 统 , 使 之 能 自 动

3、 协 调 地 完 成 各 种 操 作 。3.1.1 基 本 性 能 指 标v 16位 微 处 理 器 ;v 采 用 高 速 运 算 性 能 的 HMOS工 艺 制 造 , 芯 片 上 集 成 了 2.9万只 晶 体 管 ; v 使 用 单 一 的 +5V电 源 , 40条 引 脚 双 列 直 插 式 封 装 ;v 时 钟 频 率 为 5MHz10MHz, 基 本 指 令 执 行 时 间 为 .3ms0.6msv 16根 数 据 线 和 20根 地 址 线 , 可 寻 址 的 地 址 空 间 达 1MBv 8086可 以 和 浮 点 运 算 器 、 I/O处 理 器 或 其 他 处 理 器 组

4、成 多 处理 器 系 统 , 从 而 极 大 地 提 高 了 系 统 的 数 据 吞 吐 能 力 和 数 据 处理 能 力 。 3 3.1.2 8086微 处 理 器 内 部 结 构 组 成 总线控制逻辑 8086总 线 执 行 部 件 EU 总 线 接 口 部 件 BIU状 态 标 志 寄 存 器 AH BLCLDLBHCHDHAXBXCXDX SP BPSIDIALU数 据 总 线 ( 16位 ) 暂 存 器ALU 控 制 电 路 1 2 3 4 5 6 CSDSSSES 内 部 通 信寄 存 器IP 地 址 加 法 器 指 令 队 列 AL 图 3-1 8086CPU内 部 结 构 框

5、图 4 1执行部件EU 执 行 部 件 中 包 含 一 个 16位 的 算 术 逻 辑 单 元 ( ALU) , 8个 16位 的 通 用 寄 存 器 , 一 个 16位 的 状 态 标 志 寄 存 器 , 一 个 数据 暂 存 寄 存 器 和 执 行 部 件 的 控 制 电 路 。 功 能 : 从 BIU的 指 令 队 列 中 取 出 指 令 代 码 , 经 指 令 译 码器 译 码 后 执 行 指 令 所 规 定 的 全 部 功 能 。 执 行 指 令 所 得 结 果 或执 行 指 令 所 需 的 数 据 , 都 由 EU向 BIU发 出 命 令 , 对 存 储 器或 I/O接 口 进 行

6、 读 /写 操 作 。2总线接口部件BIU 总 线 接 口 部 件 BIU内 部 设 有 四 个 16位 段 地 址 寄 存 器 : 代码 段 寄 存 器 CS、 数 据 段 寄 存 器 DS、 堆 栈 段 寄 存 器 SS和 附 加段 寄 存 器 ES, 一 个 16位 指 令 指 针 寄 存 器 IP, 一 个 6字 节 指 令队 列 缓 冲 器 , 20位 地 址 加 法 器 和 总 线 控 制 电 路 。 主 要 功 能 : 根 据 执 行 部 件 EU的 请 求 , 负 责 完 成 CPU与存 储 器 或 I/O设 备 之 间 的 数 据 传 送 。 5 等 待 取 指 1 执 行

7、1 等 待 取 指 2 执 行 2 等 待 取 指 3 执 行 3MPU总 线 忙 闲 忙 闲 忙 闲传 统 微 处 理 器 的 指 令 执 行 过 程 取 指 1 取 指 2 取 指 3 取 指 4 取 指 5 取 指 6EU 总 线 执 行 1 执 行 2 执 行 3 执 行 4 执 行 5 执 行 6忙 忙 忙 忙 忙 忙BIU 8086CPU的 指 令 执 行 过 程 6 3.1.3 8086CPU的 寄 存 器 结 构 8086CPU中 可 供 编 程 使 用 的 有 14个 16位 寄 存 器 , 按 其 用途 可 分 为 3类 : 通 用 寄 存 器 、 段 寄 存 器 、 指

8、针 和 标 志 寄 存 器 ,如 所 示 。 累 加 器AH ALBH BLCLDH DLCH SP SIDIIPFLAGSCSDSSSESBP 基 址 寄 存 器计 数 寄 存 器数 据 寄 存 器堆 栈 指 针 寄 存 器基 址 指 针 寄 存 器源 变 址 寄 存 器目 的 变 址 寄 存 器指 令 指 针 寄 存 器标 志 寄 存 器代 码 段 寄 存 器 段 寄 存 器附 加 段 寄 存 器堆 栈 段 寄 存 器 数 据 寄 存 器地 址 指 针 和变 址 寄 存 器控 制 寄 存 器 通 用 寄 存 器数 据 段 寄 存 器8086CPU内 部 寄 存 器 结 构 7 1 通 用

9、寄 存 器 通 用 寄 存 器 分 为 数 据 寄 存 器 与 指 针 和 变 址 寄 存 器 两 组 。 数 据 寄 存 器 包 括 4个 16位 的 寄 存 器 AX、 BX、 CX和 DX, 一般 用 来 存 放 16位 数 据 , 故 称 为 数 据 寄 存 器 。 其 中 的 每 一 个 又可 根 据 需 要 将 高 8位 和 低 8位 分 成 独 立 的 两 个 8位 寄 存 器 来 使用 , 即 AH、 BH、 CH、 DH和 AL、 BL、 CL、 DL两 组 , 用 于 存 放 8位 数 据 , 它 们 均 可 独 立 寻 址 、 独 立 使 用 。 指 针 和 变 址 寄

10、存 器 包 括 指 针 寄 存 器 SP、 BP和 变 址 寄 存 器SI、 DI, 都 是 16位 寄 存 器 , , 一 般 用 来 存 放 地 址 的 偏 移 量 。 这 8个 16位 通 用 寄 存 器 都 具 有 通 用 性 , 从 而 提 高 了 指 令系 统 的 灵 活 性 。 但 在 有 些 指 令 中 , 这 些 通 用 寄 存 器 还 各 自 有特 定 的 用 法 , 见 下 表 。 8 表3.1 通用寄存器的特定用法寄存器操作寄存器操作AX 字 乘 , 字 除 , 字 I/O CL 变 量 移 位 , 循环 移 位AL 字 节 乘 , 字 节 除 , 字 节 I/O, 查

11、 表 转换 , 十 进 制 运 算 DX 字 乘 , 字 除 ,间 接 I/OAH 字 节 乘 , 字 节 除 SP 堆 栈 操 作BX 查 表 转 换 SI 数 据 串 操 作 指令CX 数 据 串 操 作 指 令 , 循 环 指 令 DI 数 据 串 操 作 指 令 9 2 控 制 寄 存 器 指 令 指 针 寄 存 器 IP : 是 一 个 16位 的 寄 存 器 , 存 放 EU要 执行 的 下 一 条 指 令 的 偏 移 地 址 , 用 以 控 制 程 序 中 指 令 的 执 行顺 序 , 实 现 对 代 码 段 指 令 的 跟 踪 。 标 志 寄 存 器 F : 是 一 个 16位

12、 的 寄 存 器 , 共 9个 标 志 , 其 中 6个 用 作 状 态 标 志 , 3个 用 作 控 制 标 志 。( 1) 状 态 标 志 : 状 态 标 志 用 来 反 映 EU执 行 算 术 和 逻 辑 运 算 以 后 的 结 果 特 征 。 CF: 进 位 标 志 ; PF: 奇 偶 标 志 ; AF: 辅 助 进 位 标 志 ZF: 零 标 志 ; SF: 符 号 标 志 ; OF: 溢 出 标 志 10 ( 2) 控 制 标 志 : 控 制 标 志 是 用 来 控 制 CPU的 工 作 方 式 或 工 作 状 态 。 TF: 陷 阱 标 志 或 单 步 操 作 标 志 : IF:

13、 中 断 允 许 标 志 DF: 方 向 标 志 3 段 寄 存 器 8086CPU共 有 4个 16位 的 段 寄 存 器 , 用 来 存 放 每 一 个 逻辑 段 的 段 起 始 地 址 。( 1) 代 码 段 寄 存 器 CS ( 2) 数 据 段 寄 存 器 DS( 3) 堆 栈 段 寄 存 器 SS ( 4) 附 加 段 寄 存 器 ES 11 3.1.4 8086CPU的 外 部 引 脚 特 性 GND INTRNMICLKGND 19INTA( QS1)TESTREADYRESET 2 391 403 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012

14、2913 2814 2715 2616 2517 24 18 2319 2220 21 AD14AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0 RDMN/MXHOLD(RQ/GT0)BHE/S6AA17/S4A18/S5/SA16/S3AD15 )VCC( +5VM/IO(S2)WR(LOCK)HLDA(RQ/GT1)DT/R( S1)DEN( S0)ALE( QS0)AD1213AD 8086CPU引 脚 图 12 3.2 8086微 处 理 器 的 存 储 器 和 I/O组 织 3.2.1 存 储 器 的 组 织 1存储器空间与存储器结构 存 储 器 是 按

15、字 节 进 行 组 织 的 , 两 个 相 邻 的 字 节 被 称 为 一个 “ 字 ” 。存 放 的 信 息 若 是 以 字 节 ( 8位 ) 为 单 位 的 , 将在 存 储 器 中 按 顺 序 排 列 存 放 ; 若 存 放 的 数 据 为 一 个 字 ( 16位 ) 时 , 则 将 每 一 个 字 的 低 字 节 ( 低 8位 ) 存 放 在 低 地 址 中 ,高 字 节 ( 高 8位 ) 存 放 在 高 地 址 中 , 并 以 低 地 址 作 为 该 字 的地 址 。 在 组 成 与 8086CPU连 接 的 存 储 器 时 , 1M字 节 的 存 储 空 间实 际 上 被 分 成

16、两 个 512字 节 的 存 储 体 , 分 别 叫 高 位 库 和 低 位库 。 低 位 库 固 定 与 8086CPU的 低 位 字 节 数 据 线 D 7D0相 连 ,因 此 又 可 称 它 为 低 字 节 存 储 体 , 该 存 储 体 中 的 每 个 地 址 均为 偶 地 址 。 高 位 库 与 8086CPU的 高 位 字 节 数 据 线 D15D8相连 , 因 此 又 称 它 为 高 字 节 存 储 体 , 该 存 储 体 中 的 每 个 地 址均 为 奇 地 址 , 如 下 图 所 示 。 13 00001H 00000H00003H 00002H00005H 00004H 5

17、12K 8( 位 ) 512K 8( 位 ) 奇 地 址 存 储 体 偶 地 址 存 储 体 ( A 0=1) ( A0=0) FFFFDH FFFFCHFFFFFH FFFFEH8086存 储 器 的 分 体 结 构 14 2 存 储 器 分 段 00000H 图 3-10 存 储 器 分 段 示 意 图 逻 辑 段 1起 点 逻 辑 段 2起 点 逻 辑 段 3起 点 逻 辑 段 4起 点 FFFFFH 逻 辑 段 1 64KB 逻 辑 段 2 64KB 逻 辑 段 3 64KB 逻 辑 段 4 64KB 15 3 逻 辑 地 址 ( LA) 和 物 理 地 址 ( PA) 物 理 地 址

18、 : 就 是 存 储 器 的 实 际 地 址 , 它 是 指 CPU和 存 储 器 进 行 数 据 交 换 时 所 使 用 的 地 址 ( 20位 ) 。逻 辑 地 址 : 是 在 程 序 中 使 用 的 地 址 , 它 由 段 地 址 和 偏 移 地 址 两 部 分 组 成 ( 16位 ) 。 逻 辑 地 址 的 表 示 形 式 为 “ 段 地 址 偏 移 地 址 ” 。 物 理 地 址 =段 地 址 10H 偏 移 地 址 4 专 用 和 保 留 的 存 储 器 单 元 16 3.2.2 I/O端 口 的 组 织 1 统 一 编 址 又 称 “ 存 储 器 映 射 方 式 ” 。 在 这

19、种 编 址 方 式 下 , I/O端口 地 址 置 于 1MB的 存 储 器 空 间 中 , 在 整 个 存 储 空 间 中 划出 一 部 分 空 间 给 外 设 端 口 , 端 口 和 存 储 单 元 统 一 编 址 。 优 点 : 无 需 专 门 的 I/O指 令 , 对 端 口 操 作 的 指 令类 型 多 , 从 而 简 化 了 指 令 系 统 的 设 计 。 缺 点 : 端 口 占 用 存 储 器 的 地 址 空 间 , 使 存 储 器 容 量 更加 紧 张 , 同 时 端 口 指 令 的 长 度 增 加 , 执 行 时 间 较 长 , 端口 地 址 译 码 器 较 复 杂 。 17

20、 2独立编址 又 称 “ I/O映 射 方 式 ” 。 这 种 方 式 的 端 口 单 独 编 址 构 成一个 I/O空 间 , 不 占 用 存 储 器 地 址 空 间 。 优 点 : 端 口 所 需 的 地 址 线 较 少 , 地 址 译 码 器 较 简 单 ,采 用 专 用 的 I/O指 令 , 端 口 操 作 指 令 执 行 时 间 少 , 指 令 长 度短 。 缺 点 : 输 入 输 出 指 令 类 别 少 , 一 般 只 能 进 行 传 送 操 作 。 18 3.3 8086CPU的 总 线 周 期 和 操 作 时 序 3.3.1 8284A时 钟 信 号 发 生 器 READY 1

21、 18 2 17 3 16 4 15 5 14 6 13 7 12 8 11 9 10 8284A CSYNC PCLK AEN1 RDY1 RDY2 AEN2 CLK GND VCC X1 X2 ASYNC EFI F/C OSC RES RESET 图 3-12 8284A引 脚 特 性 19 CLK T1 总 线 周 期 总 线 周 期地 址 缓 冲 数 据 地 址 缓 冲 数 据地 址 /数 据总 线 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4典 型 的 8086总 线 周 期 波 形 图 20 3.3.3 8086CPU的 最 小 /最 大 工 作 方 式 1 最 小 工 作 方 式

22、所 谓 最 小 工 作 方 式 , 就 是 系 统 中 只 有8086一 个 微 处 理 器 , 是 一 个 单 微 处 理 器 系统 。 在 这 种 系 统 中 , 所 有 的 总 线 控 制 信 号都 直 接 由 8086CPU产 生 , 系 统 中 的 总 线 控制 逻 辑 电 路 被 减 到 最 少 。 当 把 8086的 33脚 MN/接 +5V时 , 8086 CPU就 处 于 最 小 工 作 方 式 了 21 2 最 大 工 作 方 式 当 把 8086的 33脚 MN/接 地 时 , 这 时 的 系统 处 于 最 大 工 作 方 式 。 最 大 工 作 方 式 是 相 对最 小

23、 工 作 方 式 而 言 的 , 它 主 要 用 在 中 等 或 大规 模 的 8086系 统 中 。 在 最 大 方 式 系 统 中 , 总是 包 含 有 两 个 或 多 个 微 处 理 器 , 是 多 微 处 理器 系 统 。 其 中 必 有 一 个 主 处 理 器 8086, 其 他的 处 理 器 称 为 协 处 理 器 22 3.3.4 8086CPU的 操 作 时 序 8086的 主 要 操 作 有 :1、 系 统 的 复 位 和 启 动 操 作 。2、 总 线 操 作 。3、 暂 停 操 作 。4、 中 断 响 应 操 作 。 5、 总 线 保 持 或 总 线 请 求 /允 许 操

24、 作 23 3.4 80286/80386/80486微 处 理 器 简 介 3.4.1 80286微 处 理 器 简 介 1 80286的 主 要 特 性 ( 1) 增 加 地 址 线 , 使 内 存 容 量 提 高 。 ( 2) 具 有 两 种 地 址 方 式 : 实 地 址 方 式 和 保 护 虚 地 址 方 式 。( 3) 使 用 虚 拟 内 存 。( 4) 寻 址 方 式 更 加 丰 富 ( 24种 )( 5) 可 以 同 时 运 行 多 个 任 务 。( 6) 三 种 类 型 中 断 : 硬 件 中 断 、 软 件 中 断 的 异 常 中 断 。( 7) 增 加 了 高 级 类 指

25、 令 、 执 行 环 境 操 作 类 指 令 和 保 护 类 指 令 。( 8) 时 钟 频 率 提 高 24 2 80286内 部 结 构 偏 移 量 加 法 器 段 基 址段 大 小段 界 限检 查 器 物 理地 址加 法器 地 址 锁 存 和 驱 动 器预 取 器 处 理 器 扩充 接 口 总 线 控 制数 据 收 发 器6字 节 预 取 队 列 ALU寄存器 控 制 3译 码指 令 队 列 指 令译 码 器 总 线 部 件 BU 指 令 部 件 IU执 行 部 件 EU 地 址 部 件 AU A23 A0BHE, M/IOPEACKPEREQ READY, HOLDLOCK, HLDA

26、D15 D0 RESETCLKVSSVCCCAP NMIINTR ERRORBUSY S0S1, COD/INTA 25 3 80286的 地 址 方 式 80286访 问 存 储 器 时 , 有 两 种 方 式 即 实 地 址 方 式 和 虚 地址 保 护 方 式 。 ( 1) 实 地 址 方 式 : 80286加 电 后 即 进 入 实 地 址 方 式 。 在 实地 址 方 式 下 , 80286与 8086在 目 标 码 一 级 是 向 上 兼 容 的 , 它兼 容 了 8086的 全 部 功 能 , 8086的 汇 编 语 言 源 程 序 可 以 不 做任 何 修 改 在 80286上

27、 运 行 。( 2) 虚 地 址 保 护 方 式 : 此 方 式 是 集 实 地 址 方 式 、 存 储 器管理 、 对 于 虚 拟 存 储 器 的 支 持 和 对 地 址 空 间 的 保 护 为 一 体 而建 立 起 来 的 一 种 特 殊 工 作 方 式 , 使 80286能 支 持 多 用 户 、 多任 务 系 统 。 26 3.4.2 80386微 处 理 器 简 介 1 80386的 主 要 特 性( 1) 灵 活 的 32位 微 处 理 器 , 提 供 32位 的 指 令 。( 2) 提 供 32位 外 部 总 线 接 口 , 最 大 数 据 传 输 速 率 为 32Mbps。(

28、3) 具 有 片 内 集 成 的 存 储 器 管 理 部 件 MMU, 可 支 持 虚 拟 存 储 和 特 权 保 护 。( 4) 具 有 实 地 址 方 式 、 保 护 方 式 和 虚 拟 8086方 式 。( 5) 具 有 极 大 的 寻 址 空 间 。 ( 6) 通 过 配 用 数 值 协 处 理 器 可 支 持 高 速 数 值 处 理 。( 7) 在 目 标 码 一 级 与 8086、 80286芯 片 完 全 兼 容 。 27 2 80386内 部 结 构 控 制部 件 测 试 部 件分 段 描 述 符 超 高 速缓 存 器分 段 部 件 分 页 描 述 符超 高 速缓 存 器分 页

29、 部 件 总 线接 口部 件预 取队 列 预 取单 元 32位 寄 存 器 组桶 形 移 位 器ALU 指 令 译 码指 令 队 列 32位 地址 总 线 32位 数据 总 线 控 制 总 线 NPX接 口中 断 复 位 28 3 80386的 寄 存 器 结 构 80386中 共 有 7类 32个 寄 存 器 , 它 们 是 : 通 用 寄 存 器 、段 寄 存 器 、 指 令 指 针 和 标 志 寄 存 器 、 控 制 寄 存 器 、 系 统地 址 寄 存 器 、 排 错 寄 存 器 和 测 试 寄 存 器 。4 80386的 工 作 方 式 ( 1) 实 地 址 方 式 : 系 统 启

30、动 后 , 80386自 动 进 入 实 地 址 方式 。 此 方 式 下 , 采 用 类 似 于 8086的 体 系 结 构 ( 2) 保 护 方 式 : 是 指 在 执 行 多 任 务 操 作 时 , 对 不 同 任 务使 用 的 虚 拟 存 储 器 空 间 进 行 完 全 的 隔 离 , 保 护 每 个 任 务 顺利 执 行 。( 3) 虚 拟 8086方 式 : 是 指 一 个 多 任 务 的 环 境 , 即 模 拟 多个 8086的 工 作 方 式 。 29 3.4.3 80486微 处 理 器 简 介 1 80486的 主 要 特 性 ( 1) 首 次 增 加 RISC技 术 。(

31、 2) 芯 片 上 集 成 部 件 多 。 数 据 高 速 缓 存 、 浮 点 运 算 部 件 、分 页 虚 拟 存 储 管 理 和 80387数 值 协 处 理 器 等 多 个 部 件 。( 3) 高 性 能 的 设 计 。 ( 4) 完 全 的 32位 体 系 结 构 。 ( 5) 支 持 多 处 理 器 。 ( 6) 具 有 机 内 自 测 试 功 能 , 可 以 广 泛 地 测 试 片 上 逻 辑 电路 、 超 高 速 缓 存 和 片 上 分 页 转 换 高 速 缓 存 。 30 2 80486的 基 本 结 构 寄 存 器 组桶 形 移 位 器ALU整 数 部 件 描 述 符 寄 存

32、 器极 限 /属 性PLA分 段 部 件 分 页 部 件转 移 用 旁视 缓 冲 区TLB 高 速 缓 存部 件8KB高 速 缓存 总 线 控 制 器数 据 总 线收 发 器地 址 总 线驱 动 器 指 令 译 码 部 件已 译 码 队 列浮 点 运 算 部 件 浮 点 寄 存 器 组 指 令 预 取 部 件32字 节指 令 队 列控 制 ROM A31 A2BE0 BE1D 31 D0各 种 控制 信 号 控 制 /保 护 部 件 31 3 80486的 工 作 方 式 80486有 如 图 3-24所 示 的 3种 工 作 方 式 , 即 实 地 址 方 式 、保 护 方 式 和 虚 拟

33、方 式 。 LMSW指 令CR0修 改 指 令实 地 址 方 式 保 护 方 式虚 拟 8086方 式复 位信 号 复 位 信 号修 改 CR 0指 令 中 断 IRTED指 令任 务 转 换复 位 信号 32 本 章 小 结 本 章 针 对 8086微 处 理 器 及 其 体 系 结 构 做 了 详 细 介 绍 。8086微 处 理 器 从 功 能 结 构 上 可 以 划 分 为 执 行 部 件 和 总线 接 口 部 件 两 大 部 分 。 8086微 处 理 器 的 寄 存 器 使 用 非 常 灵 活 , 8086CPU可供 编 程 使 用 的 有 14个 16位 寄 存 器 , 按 其

34、用 途 可 分 为 通用 寄 存 器 、 段 寄 存 器 、 指 针 和 标 志 寄 存 器 。 要 掌 握 各 个寄 存 器 的 使 用 方 法 和 隐 含 用 法 、 微 处 理 器 的 内 部 结 构 组成 、 寄 存 器 结 构 ; 要 掌 握 存 储 器 的 分 段 管 理 、 物 理 地 址和 逻 辑 地 址 的 换 算 及 I/O端 口 的 编 址 方 式 、 8086的 时 钟和 总 线 概 念 及 其 最 小 /最 大 工 作 方 式 。 本 章 最 后 对 80X86的 系 列 产 品 等 高 档 微 处 理 器 的 特点 及 基 本 结 构 做 了 介 绍 。 33 THANK YOU VERY MUCH本 章 到 此 结 束 ,谢 谢 您 的 光 临 !

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