第三十九章 FLASH模拟EEPROM实验

        1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板  2.软件平台：MDK5.1 3.固件库版本：V1.4.0 
STM32F4本身没有自带EEPROM，但是STM32F4具有IAP（在应用编程）功能，所以我们可以把它的FLASH当成EEPROM来使用。本章，我们将利用STM32F4内部的FLASH来实现第三十章实验类似的效果，不过这次我们是将数据直接存放在STM32F4内部，而不是存放在W25Q128。本章分为如下几个部分： 39.1 STM32F4 FLASH简介 39.2 硬件设计 39.3 软件设计 39.4 下载验证  

39.1 STM32F4 FLASH简介

不同型号的STM32F40xx/41xx，其FLASH容量也有所不同，最小的只有128K字节，最大的则达到了1024K字节。探索者STM32F4开发板选择的STM32F407ZGT6的FLASH容量为1024K字节，STM32F40xx/41xx的闪存模块组织如图39.1.1所示：
图39.1.1 大容量产品闪存模块组织 STM32F4的闪存模块由：主存储器、系统存储器、OPT区域和选项字节等4部分组成。 主存储器，该部分用来存放代码和数据常数（如const类型的数据）。分为12个扇区，前4个扇区为16KB大小，然后扇区4是64KB大小，扇区5~11是128K大小，不同容量的STM32F4，拥有的扇区数不一样，比如我们的STM32F407ZGT6，则拥有全部12个扇区。从上图可以看出主存储器的起始地址就是0X08000000， B0、B1都接GND的时候，就是从0X08000000开始运行代码的。 系统存储器，这个主要用来存放STM32F4的bootloader代码，此代码是出厂的时候就固化在STM32F4里面了，专门来给主存储器下载代码的。当B0接V3.3，B1接GND的时候，从该存储器启动（即进入串口下载模式）。 OTP区域，即一次性可编程区域，共528字节，被分成两个部分，前面512字节（32字节为1块，分成16块），可以用来存储一些用户数据（一次性的，写完一次，永远不可以擦除！！），后面16字节，用于锁定对应块。 选项字节，用于配置读保护、BOR级别、软件/硬件看门狗以及器件处于待机或停止模式下的复位。 闪存存储器接口寄存器，该部分用于控制闪存读写等，是整个闪存模块的控制机构。 在执行闪存写操作时，任何对闪存的读操作都会锁住总线，在写操作完成后读操作才能正确地进行；既在进行写或擦除操作时，不能进行代码或数据的读取操作。        闪存的读取 STM32F4可通过内部的I-Code指令总线或D-Code数据总线访问内置闪存模块，本章我们主要讲解数据读写，即通过D-Code数据总线来访问内部闪存模块。 为了准确读取 Flash 数据，必须根据 CPU 时钟 (HCLK) 频率和器件电源电压在 Flash 存取控制寄存器 (FLASH_ACR) 中正确地设置等待周期数 (LATENCY)。当电源电压低于2.1V 时，必须关闭预取缓冲器。Flash 等待周期与CPU时钟频率之间的对应关系，如表39.1.1所示： 表39.1.1 CPU时钟（HCLK）频率对应的FLASH等待周期表 等待周期通过FLASH_ACR寄存器的LATENCY[2:0]三个位设置。系统复位后，CPU时钟频率为内部16M RC振荡器，LATENCY默认是0，即1个等待周期。供电电压，我们一般是3.3V，所以，在我们设置168Mhz频率作为CPU时钟之前，必须先设置LATENCY为5，否则FLASH读写可能出错，导致死机。 正常工作时（168Mhz），虽然FLASH需要6个CPU等待周期，但是由于STM32F4具有自适应实时存储器加速器(ART Accelerator)，通过指令缓存存储器，预取指令，实现相当于0 FLASH等待的运行速度。关于自适应实时存储器加速器的详细介绍，请大家参考《STM32F4xx中文参考手册》3.4.2节。 STM23F4的FLASH读取是很简单的。例如，我们要从地址addr，读取一个字（字节为8位，半字为16位，字为32位），可以通过如下的语句读取： data=*(vu32*)addr; 将addr强制转换为vu32指针，然后取该指针所指向的地址的值，即得到了addr地址的值。类似的，将上面的vu32改为vu16，即可读取指定地址的一个半字。相对FLASH读取来说，STM32F4 FLASH的写就复杂一点了，下面我们介绍STM32F4闪存的编程和擦除。        闪存的编程和擦除 执行任何Flash编程操作（擦除或编程）时，CPU时钟频率 (HCLK)不能低于1 MHz。如果在Flash操作期间发生器件复位，无法保证Flash中的内容。 在对 STM32F4的Flash执行写入或擦除操作期间，任何读取Flash的尝试都会导致总线阻塞。只有在完成编程操作后，才能正确处理读操作。这意味着，写/擦除操作进行期间不能从Flash中执行代码或数据获取操作。 STM32F4的闪存编程由6个32位寄存器控制，他们分别是： l  FLASH访问控制寄存器(FLASH_ACR) l  FLASH秘钥寄存器(FLASH_KEYR) l  FLASH选项秘钥寄存器(FLASH_OPTKEYR) l  FLASH状态寄存器(FLASH_SR) l  FLASH控制寄存器(FLASH_CR) l  FLASH选项控制寄存器(FLASH_OPTCR) STM32F4复位后，FLASH编程操作是被保护的，不能写入FLASH_CR寄存器；通过写入特定的序列（0X45670123和0XCDEF89AB）到FLASH_KEYR寄存器才可解除写保护，只有在写保护被解除后，我们才能操作相关寄存器。 FLASH_CR的解锁序列为： 1，  写0X45670123到FLASH_KEYR 2，  写0XCDEF89AB到FLASH_KEYR 通过这两个步骤，即可解锁FLASH_CR，如果写入错误，那么FLASH_CR将被锁定，直到下次复位后才可以再次解锁。 STM32F4闪存的编程位数可以通过FLASH_CR的PSIZE字段配置，PSIZE的设置必须和电源电压匹配，见表：39.1.2： 表39.1.2 编程/擦除并行位数与电压关系表 由于我们开发板用的电压是3.3V，所以PSIZE必须设置为10，即32位并行位数。擦除或者编程，都必须以32位为基础进行。 STM32F4的FLASH在编程的时候，也必须要求其写入地址的FLASH是被擦除了的（也就是其值必须是0XFFFFFFFF），否则无法写入。STM32F4的标准编程步骤如下： 1，检查FLASH_SR中的BSY位，确保当前未执行任何FLASH操作。 2，将FLASH_CR寄存器中的PG位置1，激活FLASH编程。 3，针对所需存储器地址（主存储器块或OTP区域内）执行数据写入操作： —并行位数为x8时按字节写入（PSIZE=00） —并行位数为x16时按半字写入（PSIZE=01） —并行位数为x32时按字写入（PSIZE=02） —并行位数为x64时按双字写入（PSIZE=03） 4，等待BSY位清零，完成一次编程。 按以上四步操作，就可以完成一次FLASH编程。不过有几点要注意：1，编程前，要确保要写如地址的FLASH已经擦除。2，要先解锁（否则不能操作FLASH_CR）。3，编程操作对OPT区域也有效，方法一模一样。 我们在STM32F4的FLASH编程的时候，要先判断缩写地址是否被擦除了，所以，我们有必要再介绍一下STM32F4的闪存擦除，STM32F4的闪存擦除分为两种：扇区擦除和整片擦除。 扇区擦除步骤如下： 1，检查FLASH_CR的LOCK是否解锁，如果没有则先解锁 2，检查FLASH_SR寄存器中的BSY 位，确保当前未执行任何FLASH操作 3，在FLASH_CR寄存器中，将SER位置1，并从主存储块的12个扇区中选择要擦除的 扇区 (SNB) 4，将FLASH_CR寄存器中的STRT位置1，触发擦除操作 5，等待BSY位清零        经过以上五步，就可以擦除某个扇区。本章，我们只用到了STM32F4的扇区擦除功能，整片擦除功能我们在这里就不介绍了，想了解的朋友可以看《STM32F4xx中文参考手册》第3.5.3节。 通过以上了解，我们基本上知道了STM32F4闪存的读写所要执行的步骤了，接下来，我们看看与读写相关的寄存器说明。 第一个介绍的是FLASH访问控制寄存器：FLASH_ACR。该寄存器各位描述如图39.1.2所示： 图39.1.2 FLASH_ACR寄存器各位描述        这里，我们重点看LATENCY[2:0]这三个位，这三个位，必须根据我们MCU的工作电压和频率，来进行正确的设置，否则，可能死机，设置规则见表39.1.1。其他DCEN、ICEN和PRFTEN这三个位也比较重要，为了达到最佳性能，这三个位我们一般都设置为1即可。 第二个介绍的是FLASH秘钥寄存器：FLASH_KEYR。该寄存器各位描述如图39.1.3所示： 图39.1.3 FLASH_KEYR寄存器各位描述 该寄存器主要用来解锁FLASH_CR，必须在该寄存器写入特定的序列（KEY1和KEY2）解锁后，才能对FLASH_CR寄存器进行写操作。 第三个要介绍的是FLASH控制寄存器：FLASH_CR。该寄存器的各位描述如图39.1.4所示： 图39.1.4 FLASH_CR寄存器各位描述        该寄存器我们本章只用到了它的LOCK、STRT、PSIZE[1:0]、SNB[3:0]、SER和PG等位。        LOCK位，该位用于指示FLASH_CR寄存器是否被锁住，该位在检测到正确的解锁序列后，硬件将其清零。在一次不成功的解锁操作后，在下次系统复位之前，该位将不再改变。        STRT位，该位用于开始一次擦除操作。在该位写入1 ，将执行一次擦除操作。        PSIZE[1:0]位，用于设置编程宽度，3.3V时，我们设置PSIZE =2即可。 SNB[3:0]位，这4个位用于选择要擦除的扇区编号，取值范围为0~11。        SER位，该位用于选择扇区擦除操作，在扇区擦除的时候，需要将该位置1。        PG位，该位用于选择编程操作，在往FLASH写数据的时候，该位需要置1。        FLASH_CR的其他位，我们就不在这里介绍了，请大家参考《STM32F4xx中文参考手册》第3.8.5节。        最后要介绍的是FLASH状态寄存器：FLASH_SR。该寄存器各位描述如图39.1.5所示： 图39.1.5 FLASH_SR寄存器各位描述        该寄存器我们主要用了其BSY位，当该位位1时，表示正在执行FLASH操作。当该位为0时，表示当前未执行任何FLASH操作。         关于STM32F4 FLASH的介绍，我们就介绍到这。更详细的介绍，请参考《STM32F4xx中文参考手册》第三章。下面我们讲解使用STM32F4的官方固件库操作FLASH的几个常用函数。这些函数和定义分布在文件stm32f4xx_flash.c以及stm32f4xx_flash.h文件中。 1）锁定解锁函数 上面讲解到在对FLASH进行写操作前必须先解锁，解锁操作也就是必须在FLASH_KEYR寄存器写入特定的序列（KEY1和KEY2）,固件库函数实现很简单： void FLASH_Unlock(void)； 同样的道理，在对FLASH写操作完成之后，我们要锁定FLASH，使用的库函数是： void FLASH_Lock(void)； 2）写操作函数 固件库提供了四个FLASH写函数： FLASH_Status FLASH_ProgramDoubleWord(uint32_t Address, uint64_t Data); FLASH_Status FLASH_ProgramWord(uint32_t Address, uint32_t Data); FLASH_Status FLASH_ProgramHalfWord(uint32_t Address, uint16_t Data); FLASH_Status FLASH_ProgramByte(uint32_t Address, uint8_t Data); 这几个函数从名字上面还是比较好理解意思，分别为写入双字，字，半字，字节的函数。这些函数的内部实现过程，实际就是按照我们39.1讲解的编程步骤来实现的。有兴趣的同学可以进入函数体看看，这样会加深理解。 3）擦除函数 固件库提供四个FLASH擦除函数： FLASH_Status FLASH_EraseSector(uint32_t FLASH_Sector, uint8_t VoltageRange); FLASH_Status FLASH_EraseAllSectors(uint8_t VoltageRange); FLASH_Status FLASH_EraseAllBank1Sectors(uint8_t VoltageRange); FLASH_Status FLASH_EraseAllBank2Sectors(uint8_t VoltageRange);        对于前面两个函数比较好理解，一个是用来擦除某个Sector，一个使用来擦除全部的sectors。对于第三个和第四个函数，这里的话主要是针对STM32F42X系列和STM32F43X系列芯片而言的，因为它们将所有的sectors分为两个bank。所以这两个函数用来擦除2个bank下的sectors的。第一个参数取值范围在固件库有相关宏定义标识符已经定义好，为FLASH_Sector_0~FLASH_Sector_11（对于我们使用的STM32F407最大是FLASH_Sector_11），对于这些函数的第二个参数，我们这里电源电压范围是3.3V，所以选择VoltageRange_3即可。 4）获取FLASH状态 获取FLASH状态主要调用的函数是： FLASH_Status FLASH_GetStatus(void)； 返回值是通过枚举类型定义的： typedef enum {   FLASH_BUSY = 1,//操作忙   FLASH_ERROR_RD,//读保护错误   FLASH_ERROR_PGS,//编程顺序错误   FLASH_ERROR_PGP,//编程并行位数错误   FLASH_ERROR_PGA,//编程对齐错误   FLASH_ERROR_WRP,//写保护错误   FLASH_ERROR_PROGRAM,//编程错误   FLASH_ERROR_OPERATION,//操作错误   FLASH_COMPLETE//操作结束 }FLASH_Status; 从这里面我们可以看到FLASH操作的几个状态。 5）等待操作完成函数 在执行闪存写操作时，任何对闪存的读操作都会锁住总线，在写操作完成后读操作才能正 确地进行；既在进行写或擦除操作时，不能进行代码或数据的读取操作。 所以在每次操作之前，我们都要等待上一次操作完成这次操作才能开始。使用的函数是： FLASH_Status FLASH_WaitForLastOperation(void) 返回值是FLASH的状态，这个很容易理解，这个函数本身我们在固件库中使用得不多，但是在固件库函数体中间可以多次看到。 6）读FLASH特定地址数据函数 有写就必定有读，而读取FLASH指定地址的数据的函数固件库并没有给出来，这里我们 提供从指定地址一个读取一个字的函数： u32 STMFLASH_ReadWord(u32 faddr) {        return *(vu32*)faddr; } 7）写选项字节操作        固件库还提供了一些列选项字节区域操作函数，这里因为本实验没有用到选项字节区域操作，这里我们就不做过多讲解，有兴趣的同学可以了解一下。

39.2 硬件设计

本章实验功能简介：开机的时候先显示一些提示信息，然后在主循环里面检测两个按键，其中1个按键（KEY1）用来执行写入FLASH的操作，另外一个按键（KEY0）用来执行读出操作，在TFTLCD模块上显示相关信息。同时用DS0提示程序正在运行。 所要用到的硬件资源如下： 1）  指示灯DS0 2）  KEY1和KEY0按键 3）  TFTLCD模块 4）  STM32F4内部FLASH 本章需要用到的资源和电路连接，在之前已经全部有介绍过了，接下来我们直接开始软件设计。

39.3 软件设计

打开我们的FLASH模拟EEPROM实验工程，可以看到我们添加了两个文件stmflash.c和stm32flash.h。同时我们还引入了固件库flash操作文件stm32f4xx_flash.c和头文件stm32f4xx_flash.h。        打开stmflash.c文件，代码如下： //读取指定地址的半字(16位数据) //faddr:读地址 //返回值:对应数据. u32 STMFLASH_ReadWord(u32 faddr) {        return *(vu32*)faddr; }  //获取某个地址所在的flash扇区 //addr:flash地址 //返回值:0~11,即addr所在的扇区 uint16_t STMFLASH_GetFlashSector(u32 addr) {        if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_1)return FLASH_Sector_0;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_2)return FLASH_Sector_1;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_3)return FLASH_Sector_2;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_4)return FLASH_Sector_3;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_5)return FLASH_Sector_4;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_6)return FLASH_Sector_5;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_7)return FLASH_Sector_6;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_8)return FLASH_Sector_7;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_9)return FLASH_Sector_8;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_10)return FLASH_Sector_9;        else if(addr<ADDR_FLASH_SECTOR_11)return FLASH_Sector_10;        return FLASH_Sector_11;     } //从指定地址开始写入指定长度的数据 //特别注意:因为STM32F4的扇区实在太大,没办法本地保存扇区数据,所以本函数 // 写地址如果非0XFF,那么会先擦除整个扇区且不保存扇区数据.所以 // 写非0XFF的地址,将导致整个扇区数据丢失.建议写之前确保扇区里 // 没有重要数据,最好是整个扇区先擦除了,然后慢慢往后写. //该函数对OTP区域也有效!可以用来写OTP区! //OTP区域地址范围:0X1FFF7800~0X1FFF7A0F //WriteAddr:起始地址(此地址必须为4的倍数!!) //pBuffer:数据指针 //NumToWrite:字(32位)数(就是要写入的32位数据的个数.) void STMFLASH_Write(u32 WriteAddr,u32 *pBuffer,u32 NumToWrite)  {   FLASH_Status status = FLASH_COMPLETE; u32 addrx=0; u32 endaddr=0;    if(WriteAddr<STM32_FLASH_BASE||WriteAddr%4)return; //非法地址 FLASH_Unlock();                                                             //解锁   FLASH_DataCacheCmd(DISABLE);//FLASH擦除期间,必须禁止数据缓存              addrx=WriteAddr;                           //写入的起始地址 endaddr=WriteAddr+NumToWrite*4;       //写入的结束地址 if(addrx<0X1FFF0000)                   //只有主存储区,才需要执行擦除操作!!        {               while(addrx<endaddr)           //扫清一切障碍.(对非FFFFFFFF的地方,先擦除)               {                      if(STMFLASH_ReadWord(addrx)!=0XFFFFFFFF) //有非0XFFFFFFFF的地方,要擦除这个扇区                      {   status=FLASH_EraseSector(STMFLASH_GetFlashSector(addrx),VoltageRange_3); //VCC=2.7~3.6V之间!!                             if(status!=FLASH_COMPLETE)break; //发生错误了                      }else addrx+=4;               }        }        if(status==FLASH_COMPLETE)        {               while(WriteAddr<endaddr)//写数据               {               if(FLASH_ProgramWord(WriteAddr,*pBuffer)!=FLASH_COMPLETE)//写入数据                      {                             break;     //写入异常                      }                      WriteAddr+=4; pBuffer++;               }        }    FLASH_DataCacheCmd(ENABLE);      //FLASH擦除结束,开启数据缓存 FLASH_Lock();//上锁 }   //从指定地址开始读出指定长度的数据 //ReadAddr:起始地址 //pBuffer:数据指针 //NumToRead:字(4位)数 void STMFLASH_Read(u32 ReadAddr,u32 *pBuffer,u32 NumToRead)         {        u32 i;        for(i=0;i<NumToRead;i++)        {               pBuffer=STMFLASH_ReadWord(ReadAddr);//读取4个字节.               ReadAddr+=4;//偏移4个字节.           } } //////////////////////////////////////////测试用/////////////////////////////////////////// //WriteAddr:起始地址 //WriteData:要写入的数据 void Test_Write(u32 WriteAddr,u32 WriteData)        {        STMFLASH_Write(WriteAddr,&WriteData,1);//写入一个字   该部分代码，我们重点介绍一下STMFLASH_Write函数，该函数用于在STM32F4的指定地址写入指定长度的数据，该函数的实现基本类似第30章的W25QXX_Flash_Write函数，不过该函数使用的时候，有几个要注意要注意： 1，  写入地址必须是用户代码区以外的地址。 2，  写入地址必须是4的倍数。 第1点比较好理解，如果把用户代码给卡擦了，可想而知你运行的程序可能就被废了，从而很可能出现死机的情况。不过，因为STM32F4的扇区都比较大（最少16K，大的128K），所以本函数不缓存要擦除的扇区内容，也就是如果要擦除，那么就是整个扇区擦除，所以建议大家使用该函数的时候，写入地址定位到用户代码占用扇区以外的扇区，比较保险。 第2点则是每次必须写入32位，即4字节，所以地址必须是4的倍数。 关于STMFLASH_GetFlashSector函数，这个就比较好理解了，根据地址确定其sector编号。其他函数我们就不做介绍了。 对于头文件stmflash.h，这里面有一点提一下，就是我们定义了从ADDR_FLASH_SECTOR_0~ ADDR_FLASH_SECTOR_11等一系列宏定义标识符，实际上这些标识符的值就是对应的sector的起始地址值，相信也比较好理解。 最后我们打开main.c文件，代码如下： //要写入到STM32 FLASH的字符串数组 const u8 TEXT_Buffer[]={"STM32 FLASH TEST"}; #define TEXT_LENTH sizeof(TEXT_Buffer)                       //数组长度     #define SIZE TEXT_LENTH/4+((TEXT_LENTH%4)?1:0)   /*设置FLASH 保存地址(必须为偶数，且所在扇区,要大于本代码所占用到的扇区.否则, *写操作的时候,可能会导致擦除整个扇区,从而引起部分程序丢失.引起死机.*/ #define FLASH_SAVE_ADDR  0X0800C004   int main(void) {        u8 key=0, datatemp[SIZE];          u16 i=0;        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2        delay_init(168);  //初始化延时函数        uart_init(115200);         //初始化串口波特率为115200        LED_Init();                  //初始化LED       LCD_Init();                  //LCD初始化        KEY_Init();                  //按键初始化       POINT_COLOR=RED;//设置字体为红 {MOD}        LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");              LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"FLASH EEPROM TEST");              LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");        LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2014/5/9");        LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY1:Write  KEY0:Read");        while(1)        {               key=KEY_Scan(0);               if(key==KEY1_PRES)  //KEY1按下,写入STM32 FLASH               {                      LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏                        LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Write FLASH....");                      STMFLASH_Write(FLASH_SAVE_ADDR,(u32*)TEXT_Buffer,SIZE);                      LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"FLASH Write Finished!");//提示传送完成               }               if(key==KEY0_PRES)  //KEY0按下,读取字符串并显示               {                     LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read FLASH.... ");                      STMFLASH_Read(FLASH_SAVE_ADDR,(u32*)datatemp,SIZE);                      LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is:  ");//提示传送完成                      LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp);//显示读到的字符串               }               i++; delay_ms(10);                if(i==20)               {                      LED0=!LED0;//提示系统正在运行                          i=0;               }                      }    } 至此，我们的软件设计部分就结束了。

39.4 下载验证

在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK探索者STM32F4开发板上，伴随DS0的不停闪烁，提示程序在运行，通过先按KEY1按键写入数据，然后按KEY0读取数据，得到如图39.4.1所示： 图39.4.1 程序运行效果图 伴随DS0的不停闪烁，提示程序在运行。本章的测试，我们还可以借助USMART，调用：TMFLASH_ReadWord和Test_Write函数，大家可以测试下OTP区域的读写，注意：OTP区域，最后16字节，不要乱写！！是用于锁定OTP数据块的的！！ 另外，OTP的一次性可编程，也并不像字面意思那样，只能写一次。而是要理解成：只能写0，不能写1。举个例子，你在地址：0X1FFF7808，第一次写入0X12345678。读出来，发现是对的，和你写入的一样。而当你在这个地址，再次写入：0X12345673的时候，再读出来，变成了：0X12345670，不是第一次写入的值，也不是第二次写入的值，而是两次写入值相与的值，说明第二次也发生了写操作。所以，要理解成：只能写0，不能写1。


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