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1、計算機(jī)組成原理課程設(shè)計任務(wù)書班級:學(xué)號:姓名:成績:電子與信息工程學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系目錄一、設(shè)計題目 1二、模型機(jī)功能概述 1三、總體設(shè)計 23.1 模型機(jī)結(jié)構(gòu): 23.2 微程序控制電路 33.3 指令譯碼器電路 7四、詳細(xì)設(shè)計 84.1 數(shù)據(jù)格式: 84.2 指令格式: 84.3 指令系統(tǒng) 1.0.4.4 設(shè)計微代碼 1.2.五、實驗代碼: 1.6.六、實驗步驟: 1.9.6.1 實驗連線: 1.9.6.2 寫微代碼: 1.9.6.3 讀微代碼與校驗微代碼: 2.2.6.4 寫機(jī)器指令 2.2.6.5 讀機(jī)器指令與校驗機(jī)器指令: 2.3.6.6 運行程序 2.4.七、測試源程序與結(jié)果分析 2
2、.5.八、認(rèn)識體會 2.6.九、參考文獻(xiàn) 2.6.復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計計算機(jī)組成原理課程設(shè)計計算機(jī)組成原理課程設(shè)計報告書一、設(shè)計題目復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計二、模型機(jī)功能概述以 EL-JY-II 計算機(jī)組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)為平臺,根據(jù)模型機(jī)的結(jié)構(gòu),與內(nèi) 部的指令譯碼電路、微指令譯碼電路與微指令格式等設(shè)計一套指令系統(tǒng), 指令系 統(tǒng)中包括傳送類指令、算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、輸入 / 輸出與轉(zhuǎn)移指令; 尋址方式包括寄存器尋址、 直接尋址與立即尋址等。設(shè)計機(jī)器指令格式以與微程 序,按照模型機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計實現(xiàn)機(jī)器指令功能的微程序,裝載代碼到 EL-JY-II 實驗系統(tǒng)中并運行。系統(tǒng)采用“基板 + 擴(kuò)展板( CPU
3、板)”形式;系統(tǒng)公共部分如數(shù)據(jù)輸入 /輸出 和顯示、單片機(jī)控制、與 PC 機(jī)通訊等電路放置在基板上,微程序控制器、運算 器、各種寄存器、譯碼器等電路放置在擴(kuò)展板上。此模型機(jī)是由運算器, 控制器,存儲器,輸入設(shè)備, 輸出設(shè)備五大部分組成。1. 運算器又是有 299 ,74LS181 完成控制信號功能的算邏部件, 暫存器 LDR1, LDR2 ,與三個通用寄存器 Ax,Bx,Cx 等組成。2. 控制器由程序計數(shù)器 PC、指令寄存器、地址寄存器、時序電路、控制存儲 器與相應(yīng)的譯碼電路組成。3. 存儲器 RAM 是通過 CE 和 W/R 兩個微命令來完成數(shù)據(jù)和程序的的存放功 能的。復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計計算機(jī)
4、組成原理課程設(shè)計4. 輸出設(shè)備有兩位 LED 數(shù)碼管和 W/R 控制完成的。三、總體設(shè)計3.1 模型機(jī)結(jié)構(gòu):圖 1 中運算器 ALU 由 U7 U10 四片 74LS181 構(gòu)成,暫存器 1 由 U3、U4 兩片 74LS273 構(gòu)成,暫存器 2 由 U5 、U6 兩片 74LS273 構(gòu)成。微控器部分控 存由U13 U15三片2816構(gòu)成。除此之外,CPU的其它部分都由 EP1K10集 成(其原理見系統(tǒng)介紹部分) 。存儲器部分由兩片 6116 構(gòu)成 16 位存儲器,地址總線只有低八位有效,因 而其存儲空間為 00H FFH。輸出設(shè)備由底板上的四個 LED數(shù)碼管與其譯碼、驅(qū)動電路構(gòu)成,當(dāng)D-G
5、和W/R均為低電平時將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。在幵關(guān)方式下,輸入設(shè)備由16位電平幵關(guān)與兩個三態(tài)緩沖芯片74LS244構(gòu)成,當(dāng)DIJ-G為低電平時位機(jī)輸入,然后由監(jiān)控程序直接送上數(shù)據(jù)總線,因而外加的數(shù)據(jù)輸入電路可以不圖1模型機(jī)結(jié)構(gòu)框圖3.2微程序控制電路微程序控制電路電路中,由三片 2816作為24位微程序存儲器,EP1K10復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計計算機(jī)組成原理課程設(shè)計產(chǎn)生控制邏輯。幵關(guān) K1、K2、K3的不同組合控制微程序的讀、寫和運行,六個黃色LED為微地址指示燈。微控器原理如下圖(除2816、74LS245和74LS374外,其余芯片功能均由 EP1K10實現(xiàn)。不詳之處請查閱 EP1K10的
6、源程序)。以 微程序的運行為例:在 T2時刻,將MS24 MS1的24位微程序打入微指令寄 存器,然后由譯碼電路對 MS24 MS7進(jìn)行譯碼,產(chǎn)生地址寄存器、指令寄存 器等等電路的控制信號。MS6 MS1指示下一個微地址,在 T3時刻,由機(jī)器指令譯碼器產(chǎn)生的強(qiáng)制微地址信號對MS6 MS1微地址的某幾位強(qiáng)行置位,形成下一個微地址輸出。微控器的外部接口有:uAJ1、LDR01、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS、A01、B01、WEO、WEI、 LARI。在讀、寫微程序時,uAJ1用于從外部輸入微地址;LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT
7、、AROUT、STATUS為運算器電路的控制信號,只要將它們接至運算器電路相應(yīng)的接口上(STATUS接S3 S1MCN )就能實現(xiàn)微程 序?qū)\算器的控制。AO1、BO1通常接至底板I/O控制電路的1A1B上,用于 外部I/O設(shè)備的選通控制。 WEO為微控器的讀寫輸出, WEI為外部讀寫控制電 路的輸入,控制總線上的 WR為外部讀寫控制電路的輸出,其控制電路為:圖2控制電路通常將WEO與WEI相連,實現(xiàn)微程序?qū)ν獠孔x寫的控制。LARI為地址控制器的輸入,以下另作介紹。除此以外其他控制信號都已接至相應(yīng)的控制電路。nxnazsaiBaB 馭HI-一當(dāng) /E- xl 勺廿弋rdfrtT&.h!
8、4 L 一 益ttossr竝fccl竝甜皿也Mlclv¥rl3?mrLH:,器誘!»席»盅 芒倉w *3 ssss轄 sssi疸 swif>-"G»IK*blITY YVY- £.* i IJyiiJS>:s sss44ilLKJ*73.3指令譯碼器電路指令譯碼器電路由EP1K10實現(xiàn),其原理如下圖所示。其中P1、P2、P3、P4、LRi、RAG、RBG、RCG為微程序譯碼產(chǎn)生的控制信號,T3為時鐘,17 10為指令寄存器的輸出IR,CA1、CA2為機(jī)器指令的讀、寫、運行的控制端,已 分別接至控制總線的 E4和E5o SA
9、4 SA0為強(qiáng)制微地址信號,輸出至微控制器 電路;LDR2 LDR0輸出至寄存器堆電路的 LR,R0B、R1B、R2B輸出至寄存 器堆電路的RGo圖3-2微控制器電路l=-fZrnVI! g曠仙0412iY23Z:+ bBKAIE"V-BNAlHUNtl7 IZHAZ*1 I3HN£iJSiHhirilEINijMH.E JUL四、詳細(xì)設(shè)計4.1數(shù)據(jù)格式:本實驗計算機(jī)采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù),字長為16位,其格式如下:151413 0符尾號數(shù)其中第16位為符號位,數(shù)值表示范圍是:-32768 <Xv327674.2指令格式:1)算術(shù)邏輯指令設(shè)計9條單字長算術(shù)邏輯指令
10、,尋址方式采用寄存器直接尋址。其格式如Rs 或 rd選定寄存 器00Ax01Bx10Cx9條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表8-2。2)存儲器訪問與轉(zhuǎn)移指令存儲器的訪問有兩種,即存數(shù)和取數(shù)。它們都使用助記符MOV,但其操作碼不同。轉(zhuǎn)移指令只有一種,即無條件轉(zhuǎn)移(JMP )。指令格式如下:76543 21000MOP-CODErdD其中OP-CODE為操作碼,rd為寄存器。M為尋址模式,D隨M的不同其 定義也不相同,如下表所示:OP-CODE000110指令說明與存儲器讀存儲器轉(zhuǎn)移指令尋址模式M有效地址ED定義說明00E= (PC) +1立即數(shù)立即尋址10E=D直接地址直接尋址3)I/O指
11、令輸入(IN )和輸出(OUT )指令采用單字節(jié)指令,其格式如下:7654321 0OP-CODEaddrrd其中,當(dāng)OP-CODE=0100 且addr=10 時,從“數(shù)據(jù)輸入電路”中的幵關(guān) 組輸入數(shù)據(jù);當(dāng)0P-C0DE=0100 且addr=01時,將數(shù)據(jù)送到“輸出顯示電路” 中的數(shù)碼管顯示。4.3指令系統(tǒng)本實驗共有14條基本指令,其中算術(shù)邏輯指令 8條,訪問內(nèi)存指令和程序 控制指令4條。輸入輸出指令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號和 指令功能。表1指令格式匯編符號指令的格式功能MOV rd , rsADD rd , rsSUB rd, rs1000rs>rsrd>rs
12、+rdrdrd-rsrd1001rsrd1010rsINC rdAND rd,NOT rdROR rdrs| 1011rd1100rsrd1101rdrd1110rdrd_ROL rd1111rdrd»rd+1rdrs Ard rdrd rdrd1 uMOV D,MOVDrsrd,00 10 00Dl001001rsrdrs DD rdMOVDrd,00 00 01Drdrd4.4設(shè)計微代碼設(shè)計三個控制操作微程序:存儲器讀操作(MRD ):撥動清零幵關(guān)CLR對地址、指令寄存器清零后,指 令譯碼輸入CA1、CA2為“ 00 ”時,按“單步”鍵,可對 RAM連續(xù)讀操作。存儲器寫操作(MW
13、E):撥動清零幵關(guān)CLR對地址、指令寄存器清零后, 指令譯碼輸入CA1、CA2為“10”時,按“單步”鍵,可對 RAM連續(xù)寫操作。啟動程序(RUN):撥動幵關(guān)CLR對地址、指令寄存器清零后,指令譯碼輸 入CA1、CA2為“ 11 ”時,按“單步”鍵,即可轉(zhuǎn)入到第 01號“取指”微指 令,啟動程序運行。注:CA1、CA2由控制總線的E4、E5給出。鍵盤操作方式時由監(jiān)控程序直 接對E4、E5賦值,無需接線。幵關(guān)方式時可將 E4、E5接至控制幵關(guān)CA1、CA2, 由幵關(guān)來控制。本系統(tǒng)設(shè)計的微程序字長共 24位,其控制位順序如下:2423222120191817161514131211109 8765
14、4321uuuuuuSSCW11S3S210MnEABF1F2F3AAAAAA543210F1、F2、F3二個字段的編碼方案如表2 :表2編碼方案F1字段F2字段F3字段15 1413選擇12 11 10選擇987選擇0 0 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 1自定義0 1 1自定義0 1 1自定義1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P 41 1 1無操作1 1 1無操作1
15、 1 1無操作系統(tǒng)涉與到的微程序流程見圖 2 (圖中各方框內(nèi)為微指令所執(zhí)行的操作,方 框外的標(biāo)號為該條微指令所處的八進(jìn)制微地址)。控制操作為P4測試,它以CA1、CA2作為測試條件,出現(xiàn)了寫機(jī)器指令、讀機(jī)器指令和運行機(jī)器指令3路分支,占用3個固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后, 剩下的其它地方就可以一 條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。機(jī)器指令的執(zhí)行過程如下: 首先將指令在外存儲器的地址送上地址總線,然后將該地址上的指令傳送至指令寄存器,這就是“取指”過程。之后必須對操作 碼進(jìn)行P1測試,根據(jù)指令的譯碼將后續(xù)微地址中的某幾位強(qiáng)制置位,使下一條 微指令指向相應(yīng)的微程序首地址,這就是“譯
16、碼”過程(其原理見圖5-4 )。然后才順序執(zhí)行該段微程序,這是真正的指令執(zhí)行過程。在所有機(jī)器指令的執(zhí)行過程中,“取指”和“譯碼”是必不可少的,而且微 指令執(zhí)行的操作也是相同的,這些微指令稱為公用微指令,對應(yīng)于圖8-2中01、 02、75地址的微指令。75地址為“譯碼”微指令,該微指令的操作為P( 1)測試,測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本實驗用指令寄存器的前4位(17-14 )作為測試條件,出現(xiàn)12路分支,占用12個固定微地址單元。如I7 14相同,則還需 進(jìn)行P2測試,以指令寄存器的13、I2位作為測試條件,以區(qū)分不同的指令,如 MOV指令和IN、OUT指表3即為將圖2的微程序流程按微程序格式轉(zhuǎn)化而
17、成 的二進(jìn)制微代碼表。OUINOV 035IJBJMC1'<K-lh FC+1_1 Jillg-IgJT-或 EV;9VS->vd "丄I問:LF014l 1 >B X V 3 B 3iJS->171id-m唸J 3 J3->LT1L I. r r: 1 c: Evs->iri|J JT7D DWI.3IJS->LI1m->D_iinis;1Ird-> aieiE 111' IV "t4t+ B6T5T輛1iyii D 1VJ=>LT2' - :i ELlId B'->LT2二
18、 BUA”包TS->0 E'-SIl弓灼VI2Xll'C->T J匸Tf刑T 5*t 55I G5川価LTimTkiTimqm沖l丁嚴(yán)FOE與* 1C BU5-> td|01TOVQQJjp:Elr£-p 血的K1T-3 E'.TSUS-Jldt 4£圖2的微程序流程00MRD(OO)RUN(11)101201LT1 RAM 74LT1 LED 73圖3微程序流程圖五、實驗代碼:按程序流程圖譯出適合本實驗系統(tǒng)所有機(jī)器指令的微代碼,加深對較完整的模型機(jī)的認(rèn)識。這里提供以下實驗程序:地址(二進(jìn)制) 指令(二進(jìn)制)助記符0000 0000
19、0000 00010000 00100000 00110000 01000100 10000000 01010000 00011001 01001111 0000IN Ax, KIN-“幵關(guān)輸入”Ax*MOV Bx, 01H01HBx說明ADD Ax ,BxAx+BxROL AxAx0000 01011101 0000NOT Ax取反0000 01100010 0101MOV Bx,01H直接尋址0000 01110000 00010000 10001000 0010MOV Cx, AxAxCx0000 10010100 0110OUT DISP, Cx*CxLED0000 10100000
20、1000JMP 00H00HPC0000 10110000 0000其中MOV、JMP為雙字長(32位),其余為單字長指令。對于雙字長指令,第一字為操作碼,第二字為操作數(shù);對于單字長指令只有操作碼,沒有操作數(shù) 上述所有指令的操作碼均為低 8位有效,高八位默認(rèn)為 0。而操作數(shù)8位和16 位均可。KIN和DISP分別為本系統(tǒng)專用輸入、輸出設(shè)備。表3為根據(jù)本實驗程序流程圖設(shè)計的二進(jìn)制微代碼表:表3二進(jìn)制微代碼表微地址S3S2S1 S0 M CN WE1A 1BF1F2F3UA5-UA00000000000000001111111100010000000010010110110100001000001
21、000000001011011111111110100011001011111111001010001110000000101011111111001010010000010110110100101000100100101101101001100001010000000010100111111111011001011001111111110000010011001110011111111110001000000101101101100101010010001011011010001110100110010110110100011001010100000010111101011100000101
22、011111000111111000001011000000000001110000010110010010000011110101001101000100000111101100011011001000001111100100111000010000011111001101110100100000111110110011110001110001111101110111110000000011111100110000000000011011110011100000110000100000001000011111100000110001000011111010000011001010000000
23、001111111001000001010100001001011110101110101100000001111000001101100000101001111011011011010110000000000011110000011100100000000111100000111001100010010111110101110101000000011110000011101100000000111100000111011100100000011111011111100011100000000110111000001111001000100000111110111111010111010000
24、00110111000001111011000001101111001111001000111100111111110111001111001001000000010110111000111101010000六、實驗步驟:單片機(jī)鍵盤操作方式實驗。在進(jìn)行單片機(jī)鍵盤控制實驗時,必須把K4幵關(guān)置于“ OFF”狀態(tài),否則系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài),無法進(jìn)行實驗。6.1實驗連線:實驗連線圖如圖8-3所示。連線時應(yīng)按如下方法:對于橫排座,應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上;對于豎排座,應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。6.2寫微代碼:將幵關(guān)K1K2K3K4撥到寫狀態(tài)即 K1 off、K2 on、K3
25、off、K4 off,其中K1、K2、K3在微程序控制電路,K4在24位微代碼輸入與顯示電路上。 在監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASS SELECt】狀態(tài)下按【實驗選擇】鍵,顯示【ES-_】輸入08或8,按【確認(rèn)】鍵,顯示為【ES08】,再按下【確認(rèn)】鍵。監(jiān)控顯示為【CtL1=_】,輸入1顯示【CtL1_1】,按【確認(rèn)】。監(jiān)控顯示【U-Addr】,此時輸入【000000】6位二進(jìn)制數(shù)表示的微地址,然 后按【確認(rèn)】鍵,監(jiān)控指示燈顯示 【U_CodE】,顯示這時輸入微代碼 【007F88】, 注意輸入微代碼的順序,先右后左。按【確認(rèn)】鍵則顯示【PULSE】,按【單步】完成一條微代碼的輸入復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計
26、計算機(jī)組成原理課程設(shè)計(5)監(jiān)控重新顯示【U-Addr】提示輸入表4第二條微代碼地址。按照上面的方法輸入表4微代碼,觀察微代碼與微地址顯示燈的對應(yīng)關(guān)系(注意輸入微代碼的 順序是由右至左)表4微代碼表微地址(八進(jìn)制)微地址(二進(jìn)制)微代碼(十六進(jìn)制)00000000007F8801000001005B4202000010016FFD06000110015FE507000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFC20010000005B652223252730313233343536
27、3740414245525354556263010010010011010101010111011000011001011010011011011100011101011110011111100000100001100010100101101010101011101100101101110010110011005B47005B46 02F5C1 018FC1 0001C1 0041EA 0041EC 0041F2 0041F3 0041F6 3071F7 3001F9 0379C1 010FC1 011F41 007F20 0029EB 9403C1 0029ED 3003C1 0003C1
28、0025F565110101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA72111010000D3C874111100FF73C975111101016E106.3讀微代碼與校驗微代碼:先將幵關(guān) K1K2K3K4 撥到讀狀態(tài)即 K1 off、K2 off、K3 on、K4 off ,按【RESET按鈕對單片機(jī)復(fù)位,使監(jiān)控指示燈滾動顯示【 CLASS SELECt】狀態(tài)。 按【實驗選擇】鍵,顯示【ES-_ _】輸入08或8,按【確認(rèn)】鍵,顯示【ES08】。 再按【確認(rèn)】。 監(jiān)控顯示【CtL1
29、=_】時,輸入2,按【確認(rèn)】顯示【U_Addr】,此時輸入 6位二進(jìn)制微地址,進(jìn)入讀代碼狀態(tài)。再按【確認(rèn)】顯示【 PULSE,此時按【單 步】鍵,顯示【U_Addr ,微地址指示燈顯示輸入的微地址,微代碼顯示電路上 顯示該地址對應(yīng)的微代碼,至此完成一條微指令的讀過程。 對照表3表檢查微代碼是否有錯誤,如有錯誤,可按步驟2重新輸入微代碼。6.4寫機(jī)器指令(1) 先將 K1K2K3K4 撥到運行狀態(tài)即 K1 on、K2 off、K3 on、K4 off,按【RESET!按鈕對單片機(jī)復(fù)位,使監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASS SELECt】狀態(tài)。(2) 按【實驗選擇】鍵,顯示【ES-_ _】輸入08或8
30、,按【確認(rèn)】鍵,顯示【ES08,再按【確認(rèn)】。(3) 監(jiān)控顯示【CtL1=_】,按【取消】鍵,監(jiān)控指示燈顯示【 CtL2=_】,輸入1 顯示【CtL2_1】表示進(jìn)入對機(jī)器指令操作狀態(tài),此時撥動 CLR清零幵關(guān)(在控 制幵關(guān)電路上,注意對應(yīng)的 JUI應(yīng)短接)對地址寄存器、指令寄存器清零。確定 清零后,按【確認(rèn)】顯示閃爍【PULSE】。連續(xù)按【單步】鍵,當(dāng)微地址顯示燈 顯示“ 001100 ”時,按【確認(rèn)】鍵,監(jiān)控指示燈顯示【data】,提示輸入機(jī)器指 令“ 48 ”或“ 0048 ”(兩位或4位十六進(jìn)制數(shù)),輸入后按【確認(rèn)】,顯示【PULSE】, 再按【單步】,微地址顯示燈顯示“ 111100
31、”,數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示“ 01000 ” 至此完成第一條機(jī)器指令。(4)再連續(xù)按【單步】,微地址顯示燈顯示“ 001100 ”時,按【確認(rèn)】輸入第二 條機(jī)器指令。依此規(guī)律逐條輸入表 5的機(jī)器指令,輸完后,可連續(xù)按【取消】或【RESET鍵退出寫機(jī)器指令狀態(tài)。表5機(jī)器指令表地址(十六進(jìn)制)機(jī)器指令(十六進(jìn)制)0000480100050200010300940400F00500D00600050700820800460900080A00006.5讀機(jī)器指令與校驗機(jī)器指令:在監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下,輸入2,顯示【CtL2_2 ,表示進(jìn)入復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計計算機(jī)組成原理課程設(shè)計讀機(jī)器指令狀態(tài),
32、按步驟 4的方法撥動CLR幵關(guān)對地址寄存器和指令寄存器進(jìn) 行清零,然后按【確認(rèn)】鍵,顯示【PULSE,連續(xù)按【單步】鍵,微地址顯示 燈顯示從“ 000000 ”幵始,然后按“ 001000 ”、“001010 ”、“111011 ”方式循環(huán)顯示。當(dāng)微地址燈再次顯示為“001000 ”時,輸出顯示數(shù)碼管上顯示寫入的機(jī)器指令。讀的過程注意微地址顯示燈,地址顯示燈和數(shù)據(jù)總線指示燈的對 應(yīng)關(guān)系。如果發(fā)現(xiàn)機(jī)器指令有誤,則需重新輸入機(jī)器指令。注意:機(jī)器指令存放在 RAM里,掉電丟失,故斷電后需重新輸入。6.6運行程序在監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下,輸入3,顯示【CtL2_3 ,表示進(jìn)入 運行機(jī)器指令狀態(tài),按步驟 4的方法撥動CLR幵關(guān)對地址寄存器和指令寄存器 進(jìn)行清零,使程
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