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文档简介

OpenHarmony物联网开发教程第2章OpenHarmony操作系统教材章节定位与授课安排第2章从鸿蒙系统出发,过渡到OpenHarmony的开源定位、技术架构、系统类型、LiteOS-M内核和HDF驱动框架。模块课堂内容建议时长课堂产出2.1鸿蒙系统背景、作用、1+8+N全场景战略45min能说明AIoT时代的系统机会2.2OpenHarmony历史、基金会、架构、分布式能力80min能画出技术架构和关键能力2.3轻量、小型、标准三类基础系统30min能按硬件资源选择系统类型2.4LiteOS-M内核架构、源码结构、运行机制55min能解释内核启动与裁剪2.5HDF驱动框架、平台驱动、外设驱动40min能区分平台资源与外设模型OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统学习目标与考核关注1理解定位理解鸿蒙面向全场景、全连接、全智能时代的系统定位,以及OpenHarmony的开源属性。2掌握架构能说明OpenHarmony的内核层、系统服务层、框架层、应用层及系统/子系统/组件关系。3比较系统类型能根据处理器、内存和设备场景区分mini、small、standard三类基础系统。4连接实践把LiteOS-M内核、HDF驱动与后续传感器、外设开发联系起来。本章重点OpenHarmony架构、分布式能力、三类基础系统、LiteOS-M内核、HDF驱动框架。本章难点从“产品形态、硬件资源、内核选择、驱动模型”四个层次理解系统设计。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统本章知识地图鸿蒙系统背景与全场景OpenHarmony开源项目与架构系统类型mini/small/standardLiteOS-M内核与运行机制HDF驱动统一驱动框架•讲授主线:时代需求→开源操作系统→组件化架构→系统裁剪→内核与驱动实践。•图片页使用Word版教材内嵌原图,表格页根据Word原生表格重排。•课堂中建议持续追问:这项能力解决什么问题、位于哪一层、后续实验会在哪里用到?OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统01.鸿蒙系统从操作系统生态壁垒和AIoT时代机会理解鸿蒙的产生背景为什么操作系统难以突围教材用“攀越珠峰”的类比引出操作系统开发难度:操作系统不仅代码量巨大,而且要管理硬件资源、提供稳定服务、兼容硬件平台和外设驱动,并长期维护安全性、可维护性和更新机制。技术难度代码规模、调度、内存、文件系统、网络、驱动、安全机制都需要长期积累。产业难度真正制约新操作系统的往往不是单点技术,而是生态、应用、硬件和用户习惯。内核资源管理驱动硬件适配应用生态迁移用户习惯成本OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统主流操作系统的生态护城河1芯片与工具链芯片厂商需提供SDK、底层库、编译工具链和开发环境,新系统必须重新构建适配体系。2硬件与产业链操作系统必须能在真实设备上稳定运行,硬件厂商、外设、驱动和生产链共同构成支撑。3第三方应用应用迁移成本高,缺少关键应用会直接影响用户是否愿意采用新系统。4用户习惯与切换成本用户对既有系统交互和软件生态形成路径依赖,新系统需要给出额外价值。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统AIoT时代带来的新机会机会出现在时代更迭处:个人电脑时代成就Windows,智能手机时代成就Android,AIoT时代需要面向多设备协同的新系统。移动互联网红利减弱智能手机增长放缓,单一手机应用创新空间变小,产业需要新的设备形态和场景入口。智能硬件快速增长手表、智慧屏、音箱、车机、灯具、传感器等设备对低功耗、互联、协同和统一体验提出需求。分布式系统价值凸显多设备不再是孤立终端,而要通过软总线、数据管理和任务调度形成一个协同整体。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统鸿蒙系统的作用:设备厂商对设备厂商而言,鸿蒙系统提供了进入AIoT市场的统一基础。厂商不只生产手机,还可以围绕智能手表、智慧屏、智能音箱、智能灯具、传感器设备等形态构建新产品。•开源基础能力降低了新设备的系统开发门槛。•芯片模组和底层方案逐步成熟,有利于中小厂商快速落地。•统一接口提升不同厂商设备之间的兼容性。•新的AIoT产品形态为传统制造业创造增量市场。教学提示可用教材中的“智能灯具”案例说明:系统能力、模组方案、生产能力和市场渠道共同决定产品能否落地。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统鸿蒙系统的作用:应用开发者与传统行业对象过去的限制鸿蒙带来的变化应用开发者主要围绕手机应用开发可面向手机、手表、智慧屏、音箱等组合场景设计应用内容创业者价值链集中在单屏内容可把电商、教育、游戏、旅游等场景扩展到多设备协同传统行业设备孤立、接口分散统一接口和生态标准降低跨设备协同成本消费者不同品牌设备体验割裂同一场景下获得更一致、更自然的智能体验•生态建设的关键是新利益:新市场、新产品、新效率和新体验。•从教学角度看,学生需要理解“系统生态”不是一个软件包,而是一组产业协同关系。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统教材图2.1:1+8+N全场景战略图2.1鸿蒙的1+8+N全场景战略图讲解要点•“1”是主入口手机,承担高频交互和账户入口角色。•“8”覆盖智慧屏、平板、PC、音响、手表、眼镜、车机、耳机等关键设备。•“N”指泛IoT硬件和行业场景,如移动办公、智能家居、健康生活、影音娱乐、智能出行。•核心目标是通过统一系统框架和分布式能力,让多设备形成协同体验。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统一系统多设备:设计理念统一框架多类设备共用系统能力分布式架构设备间资源共享无缝协同任务接力与数据流转微内核思想轻量、稳定、安全模块分层便于裁剪与维护•教材强调鸿蒙系统通过分布式系统架构和分布式软总线技术实现跨终端协同。•课堂讲解时可把“一系统多设备”理解为:应用体验跨设备连续,系统能力按设备资源弹性部署。•该理念直接引出后续OpenHarmony的分层架构和组件化裁剪。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统02.OpenHarmony介绍从开源项目来源、技术架构和分布式能力理解OpenHarmony历史背景:从HarmonyOS到OpenHarmony华为分两次把智能终端操作系统的基础能力捐献给开放原子开源基金会,并将开源项目命名为OpenHarmony。12019年华为鸿蒙系统HarmonyOS正式问世,回应智能终端和全场景协同需求。22020-2021年基础能力逐步捐献给开放原子开源基金会,形成OpenHarmony开源项目。32021-2024年OpenHarmony持续迭代,从轻量带屏设备扩展到复杂标准带屏设备。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统教材图2.2:OpenHarmony发展历史图2.2OpenHarmony发展历史课堂解读这张时间轴要让学生看清两个层次:HarmonyOS作为商业系统能力来源,OpenHarmony作为开放原子基金会孵化和运营的开源项目。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统教材图2.3:2023年版本迭代图2.32023年持续迭代更新6个版本•2023年迭代重点体现:版本节奏稳定,系统能力持续补齐。•OpenHarmony4.0Beta完善ArkUI组件能力和效果,并提供首批APILevel10接口。•教材写到2024年4月时,OpenHarmony已更新到4.1Release。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统开放原子开源基金会开放原子开源基金会于2020年6月在北京成立,是致力于推动全球开源事业发展的非营利机构,也是以开发者为本的开源项目孵化平台。1共建企业、高校、开发者和社区共同参与项目建设。2共治通过开放治理机制保障项目可持续发展。3共享以开源方式沉淀基础软件能力,服务产业链上下游。基金会服务资金资助、法务协助、营销推广、技术培训、国际社区连接、开源人才培养。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统教材图2.4:开源项目孵化平台图2.4开放原子开源基金会•图中强调“以开发者为本”的开源项目孵化平台定位。•授课时可联系OpenHarmony社区贡献、兼容性测评、人才认证等生态建设动作。•OpenHarmony不是单个厂商的闭源产品,而是基金会孵化与运营的开源项目。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统OpenHarmony项目愿景与使命图2.5OpenHarmony项目愿景与使命教材提炼•OpenHarmony搭建智能终端设备操作系统框架和平台,促进万物互联产业繁荣发展。•通过开放源代码,吸引开发者、企业、研究机构共同参与应用与开发。•开源生态为开发者提供资源和支持,推动产业链上下游协同与技术创新。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统OpenHarmony生态贡献数据图2.6OpenHarmony生态贡献数据(截止2023年底)维度教材数据教学解释社区参与70多家共建单位、7500多名开发者开源项目需要持续贡献与协作代码规模累计超过1.1亿行基础软件工程复杂度高生态落地250多家伙伴、230余款商用设备从代码到产业应用形成闭环人才建设高校技术俱乐部与人才认证教学内容可与岗位能力衔接OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统OpenHarmony技术架构总览图2.7OpenHarmony技术架构•按分层设计理解:内核层、系统服务层、框架层、应用层。•按工程组织理解:系统>子系统>组件。•按部署理解:组件可按设备资源和产品规格裁剪。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统OpenHarmony分层设计层级核心内容课堂理解应用层系统应用、第三方应用、FA/PA面向用户与业务场景框架层ArkTS/JS/C/C++/Java框架、ArkUI、API面向应用开发者系统服务层分布式软总线、数据管理、任务调度、图形、安全、AI等提供系统核心能力内核层多内核、KAL、HDF驱动子系统管理硬件和基础资源•分层不是死记名词,而是为了理解“谁向谁提供能力”。•组件化和裁剪能力让同一系统可以覆盖从百KiB到GiB级RAM的设备。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统内核层:多内核与KAL/HDF内核子系统OpenHarmony采用多内核设计,可针对不同资源受限设备选择合适内核。轻量、小型系统常用LiteOS;标准系统可基于Linux内核。KAL内核抽象层屏蔽多内核差异,对上层提供进程/线程管理、内存管理、文件系统、网络管理和外设管理等基础能力。HDF驱动子系统硬件驱动框架是硬件生态开放的基础,提供统一外设访问能力,以及驱动开发、管理框架。硬件差异不同芯片/外设KAL/OSAL抽象内核差异HDF统一驱动框架系统服务向上提供能力OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统系统服务层:核心能力集合子系统集教材中的作用示例能力系统基本能力支撑分布式应用运行、调度、迁移软总线、数据管理、任务调度、方舟运行时、图形、安全、AI基础软件服务提供公共、通用的软件服务事件通知、电话、多媒体、DFX、MSDP&DV增强软件服务面向不同设备提供差异化能力智慧屏、穿戴、IoT专有业务硬件服务为系统提供硬件相关服务位置、生物识别、穿戴硬件、IoT硬件OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统•系统服务层是OpenHarmony的核心能力集合,通过框架层向应用提供服务。•部署到不同设备形态时,子系统和组件可以按粒度裁剪。框架层与应用层:ArkUI、FA与PA框架层为应用开发提供ArkTS/JS/C/C++/Java等多语言用户程序框架,包含ArkUI、JavaUI框架和各类软硬件服务API。应用层包括系统应用和第三方应用。应用可由一个或多个元程序FA或元服务PA组成,支持跨设备调度与分发。概念是否有UI主要职责FA/FeatureAbility有UI界面提供用户交互能力PA/ParticleAbility无UI界面提供后台任务能力和统一数据访问抽象ArkUI开发框架支撑多端一致的界面开发与动态适配OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统OpenHarmony技术特性总览1硬件互助与资源共享依靠分布式软总线、设备虚拟化、数据管理、任务调度等能力,实现多设备协同。2一次开发多端部署通过用户程序框架、Ability框架、UI框架和统一工具链,让应用适配多种终端。3组件化与弹性部署系统组件可裁剪、可替换、可扩展,覆盖从百KiB到GiB级RAM的设备。4多CPU架构覆盖支持ARM、RISC-V、x86等多种CPU架构,便于不同硬件平台适配。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统分布式软总线图2.9分布式软总线示意图•是手机、平板、穿戴、智慧屏、车机等分布式设备的通信基座。•包含发现、连接、组网/拓扑管理、任务总线和数据总线等核心模块。•为设备无感发现、快速连接、低延迟传输和任务协同提供统一通信能力。•开发者可以更聚焦业务逻辑,减少对底层组网方式和协议的关注。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统分布式设备虚拟化图2.10分布式设备虚拟化示意图•把不同设备资源融合成一个“超级虚拟终端”。•根据任务类型选择合适的执行硬件,如显示、摄像、音频、交互、传感器能力。•支持设备动态加入和退出,提升虚拟终端灵活性。•与分布式数据管理配合,保持跨设备数据完整性和隐私保护。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统分布式数据管理图2.11分布式数据管理示意图教材要点•基于分布式软总线,实现应用数据和用户数据的分布式管理。•打破数据与单一物理设备绑定的限制。•让跨设备运行时的数据访问像本地数据处理一样方便。•为全场景、多设备下的数据共享、一致体验和安全访问提供基础。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统分布式任务调度与连接能力图2.12分布式任务调度示意图图2.13分布式连接能力示意图•分布式任务调度支持远程启动、远程调用、远程连接和迁移等操作。•分布式连接能力提供终端底层与应用层连接能力,扩展生态产品接入体验。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统一次开发多端部署:统一应用框架图2.14统一的应用程序框架•统一应用程序框架降低多端开发学习成本和重复开发量。•开发语言、组件库、布局系统和能力接口形成统一支撑。•ArkTS、ArkUI、设备/网络/存储/位置/多媒体/通知等能力共同服务多端部署。•教学中可提示:多端部署不等于完全不适配,而是由框架和工具链降低适配复杂度。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统统一开发工具链与动态适配统一开发工具链DevEcoStudio、SDK、模拟器、调试工具、测试工具、分布式能力开发工具等共同支撑开发、调试和部署。动态适配技术根据设备硬件能力、屏幕尺寸、分辨率、网络环境等特性,动态调整应用界面和功能。适配方向教材描述课堂例子屏幕适配根据尺寸、分辨率、比例调整布局手机、手表、智慧屏界面不同设备能力适配根据处理器、内存、传感器等调整功能摄像头或传感器有无决定功能入口网络适配根据网络类型和带宽优化请求弱网下减少同步频率或降低数据量OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统组件化与弹性部署组件化设计让系统按需裁剪、替换和扩展;弹性部署让同一操作系统覆盖资源差异巨大的设备。组件划分内核/服务/框架/应用按需裁剪去除非必要能力灵活配置匹配硬件资源动态加载按运行需求调整多架构ARM/RISC-V/x86•从低功耗连接类模组、传感器设备,到资源更丰富的IPCamera、电子猫眼、路由器,再到标准带屏设备,部署策略不同。•这正是后续选择系统类型、内核和驱动框架的前置知识。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统03.OpenHarmony系统类型从处理器、内存和应用场景区分三类基础系统三种基础系统类型类型处理器最小内存用途提炼轻量系统miniMCU类处理器(Cortex-M/RISC-V32位等)128KiB提供多种轻量级网络协议,轻量级的图形框架,以及丰富的IOT总线读写部件等。小型系统small应用处理器(Cortex-A等)1MiB提供更高的安全能力、标准的图形框架、视频编解码的多媒体能力。标准系统standard应用处理器(Cortex-A等)128MiB提供增强的交互能力、3DGPU以及硬件合成能力、更多控件以及动效更丰富的图形能力、完整的应用框架。•设备开发者先选择基础系统类型,完成必选组件集配置后,再开发最小系统。•系统类型不是“版本高低”,而是面向不同硬件资源与产品形态的部署选择。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统轻量系统minisystem硬件画像MCU类处理器,例如ArmCortex-M、RISC-V32位设备;教材表中最小内存为128KiB。能力边界提供多种轻量级网络协议、轻量级图形框架,以及丰富的IoT总线读写部件。典型产品智能家居连接类模组、传感器设备、穿戴类设备等资源受限终端。•讲授时可以把minisystem与后续LiteOS-M、传感器读取、GPIO/I2C/UART等低资源实践联系起来。•判断依据:内存小、功耗低、功能聚焦、通常无复杂图形界面。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统小型系统smallsystem维度教材内容教学解释处理器应用处理器,例如ArmCortex-A设备比MCU更强,可承载更复杂业务最小内存1MiB适合资源中等的带屏或联网设备系统能力更高安全能力、标准图形框架、视频编解码多媒体能力开始具备更完整的人机交互和媒体能力产品形态IPCamera、电子猫眼、路由器、行车记录仪等既有硬件控制,也有较多应用能力•小型系统是连接轻量IoT设备与标准智能终端之间的重要过渡形态。•课堂可以让学生判断:带摄像头、视频编解码、网络接入的设备为什么不适合只用minisystem。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统标准系统standardsystem硬件资源应用处理器(如ArmCortex-A设备),教材表中最小内存为128MiB。系统能力提供增强交互能力、3DGPU、硬件合成能力、更多控件和更丰富的图形动效。典型产品高端冰箱显示屏等复杂标准带屏设备,可承载完整应用框架和更丰富交互。资源更强CPU/内存/图形交互更复杂多控件/动效应用更完整标准应用框架场景更丰富复杂带屏终端OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统子系统、组件与内核选择子系统是逻辑概念,组件是可复用的软件单元;OpenHarmony通过组件化和多内核结构适配不同设备。概念教材定义教学关注子系统由对应组件构成的逻辑概念便于按功能组织系统能力组件包含源码、配置、资源和编译脚本的可复用软件单元可独立构建、二进制集成、独立验证LiteOS内核小体积、高性能、低功耗适合嵌入式和资源受限设备Linux内核适用于标准系统,也可用于部分小型系统适合资源较丰富的标准设备OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统04.OpenHarmonyLiteOS-M内核理解轻量级物联网操作系统内核的架构、源码和运行机制LiteOS-M定位与能力OpenHarmonyLiteOS-M内核是面向IoT领域构建的轻量级物联网操作系统内核,具有小体积、低功耗、高性能的特点。它支撑资源受限设备,同时通过HDF提供统一驱动标准。1内核最小功能集保留任务、内存、IPC、异常处理等基本能力。2内核抽象层屏蔽多内核差异,向上提供统一接口。3可选组件网络、文件系统、调测、错误处理等能力按需启用。4工程目录按架构、组件、驱动、KAL、kernel、target等目录组织源码。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统教材图2.15:LiteOS-M内核架构图一图2.15OpenHarmonyLiteOS-M内核架构图一•从上到下观察:KAL接口、基础内核、可选组件、硬件相关层共同组成内核架构。•HDF驱动框架提供统一驱动标准,使驱动更容易移植。•“一次开发,多系统部署”是驱动框架和内核抽象共同支撑的目标。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统教材图2.16:LiteOS-M内核架构图二图2.16OpenHarmonyLiteOS-M内核架构图二•硬件相关层按工具链、芯片架构分类,提供统一HAL接口。•硬件无关层包含基础内核模块、扩展模块、调测与错误处理等能力。•KAL模块提供统一标准接口,是屏蔽差异和向上支撑的重要边界。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统源码结构目录:总览图2.17OpenHarmonyLiteOS-M内核源码结构目录•LiteOS-M源码目录体现了轻量内核的模块化组织。•阅读源码时不要只看文件名,要把目录与内核职责对应起来。•课堂可让学生从arch、kernel、driver、kal、target五个目录入手建立整体认识。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统LiteOS-M源码目录说明目录作用讲解重点arch不同芯片架构相关代码硬件差异从这里开始体现components可选组件代码栈回溯、C++、文件系统、网络等driver驱动框架相关代码连接后续HDF驱动学习kal内核抽象层屏蔽多内核差异,提供基础内核能力kernel基础内核功能源码事件、互斥量、线程调度等target板级工程支持文件面向不同硬件平台适配和编译testsuites/tools/utils测试、工具和公共代码支撑验证、调试和复用OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统内核运行机制图2.18内核运行机制•在target_config.h中配置系统时钟、每秒Tick数,以及任务、内存、IPC、异常处理等模块裁剪。•系统启动时根据配置完成指定模块初始化。•教材图2.18展示了外设初始化、系统时钟配置、内核初始化、操作系统启动等流程。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统内核启动与裁剪配置外设初始化确保板上外设可用系统时钟配置选择时钟源与频率内核初始化初始化调度器/中断等操作系统启动创建初始任务并调度配置项作用实验关联系统时钟/Tick决定内核时间基准和调度节拍延时、定时器、任务切换任务模块控制任务创建、切换和调度多任务实验内存模块配置内存管理能力资源受限设备优化IPC/异常处理控制任务间通信和异常处理能力消息队列、调试定位OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统配置项作用实验关联系统时钟/Tick决定内核时间基准和调度节拍延时、定时器、任务切换任务模块控制任务创建、切换和调度多任务实验内存模块配置内存管理能力资源受限设备优化IPC/异常处理控制任务间通信和异常处理能力消息队列、调试定位05.OpenHarmony驱动简介理解HDF如何统一多内核、多平台、多外设的驱动开发驱动子系统要解决的问题OpenHarmony采用多内核设计,同一硬件可能部署不同内核;驱动子系统要降低驱动移植、适配和维护成本。1内核差异Linux内核和LiteOS内核的接口、调度、内存、同步机制存在差异。2平台差异不同SoC、板级资源、总线控制器和引脚配置不同。3外设差异传感器、摄像头、触摸屏、音频等外设模型各不相同。4维护成本如果每个平台重复开发驱动,会导致适配成本和长期维护成本过高。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统HDF驱动框架架构图图2.19HDF驱动框架架构图•HDF为驱动开发者提供驱动加载、驱动服务管理和驱动消息机制。•通过平台解耦、内核解耦,构建统一驱动架构平台。•目标是一次开发,多系统部署,降低驱动迁移成本。OpenHarmony物联网开发教程|第2章OpenHarmony操作系统HDF架构组成与接口层次组成部分教材说明课堂理解HDI层规范化设备接口标准向系统提供统一、稳定的硬件设备操作接口HDF驱动框架硬件资源管理、驱动加载、设备节点、电源管理、驱动服务模型驱动公共能力底座统一配置界面抽象描述硬件资源,屏蔽硬件差异配置与驱动代码解耦OSAL封装内核操作相关接口屏蔽不同系统操作差异平台驱动为外设驱动提供I2C/SPI/UART等平台资源操作接口把总线和板级资源

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