操作系统

operating system」的各地常用別名
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港臺 作業系統
操作系统簡略架構
操作系统架構,以 Linux為例

操作系统英语:operating system縮寫OS)是管理 计算机 硬件软件資源的 计算机程序,同时也是计算机系统的核心与基石。操作系统需要处理如管理與配置 内存、決定系統資源供需的優先次序、控制輸入與輸出裝置、操作 网络與管理 文件系统等基本事務。操作系统也提供一個讓使用者與系統互動的操作界面。

操作系统的型態非常多樣,不同機器安裝的操作系统可從簡單到複雜,可從 行動電話嵌入式系统超級電腦大型作業系統。許多操作系统製造者對它涵盖范畴的定义也不尽一致,例如有些操作系统整合了 图形用户界面,而有些僅使用 命令行界面,而將图形用户界面視為一種非必要的應用程式。

操作系统理论在 计算机科学中,為歷史悠久而又活跃 [來源請求]的分支;而操作系统的设计与实现则是软件工业的基础与核心 [來源請求]

歷史

各類平台上作業系統的功能演化

綜觀電腦之歷史,作業系統與電腦硬體的發展息息相關。作業系統之本意原為提供簡單的 工作排序能力,後為輔助更新更複雜的硬體設施而漸漸演化。從最早的 批次模式開始, 分時機制也隨之出現,在 多處理器時代來臨時,作業系統也隨之添加多處理器協調功能,甚至是 分散式系統的協調功能。其他方面的演變也類似於此。另一方面,在個人電腦上,個人電腦之作業系統因襲大型電腦的成長之路,在硬體越來越複雜、強大時,也逐步實踐以往衹有大型電腦才有的功能。

總而言之,作業系統的歷史就是一部解決電腦系統需求與問題的歷史。

1980年代前

IBM System/360,大型主機的經典之作

第一部電腦並沒有作業系統。這是由於早期電腦的建立方式(如同建造機械 算盤)與效能不足以執行如此程式。但在1947年發明了 電晶體,以及 莫里斯·威尔克斯發明的 微程序方法,使得電腦不再是機械裝置,而是電子產品。系統管理工具以及簡化硬體操作流程的程式很快就出現了,且成為作業系統的濫觴。到了1960年代早期,商用電腦製造商製造了 批次處理系統,此系統可將工作的建置、排程以及執行 序列化。此時,廠商為每一台不同型號的電腦創造不同的作業系統,因此為某電腦而寫的程式無法移植到其他電腦上執行,即使是同型號的電腦也不行。

到了1964年, IBM System/360推出了一系列用途與價位都不同的 大型電腦,而它們都共用代號為 OS/360的作業系統(而非每種產品都用量身訂做的作業系統)。讓單一作業系統適用於整個系列的產品是System/360成功的關鍵,且實際上IBM目前的大型系統便是此系統的後裔,為System/360所寫的應用程式依然可以在現代的IBM機器上執行。

OS/360也包含另一個優點:永久貯存裝置— 硬盘的面世(IBM稱為 DASD)。另一個關鍵是 分時概念的建立:將大型電腦珍貴的時間資源適當分配到所有使用者身上。分時也讓使用者有獨佔整部機器的感覺;而 Multics的分時系統是此時眾多新作業系統中實踐此觀念最成功的。

1963年, 奇異公司貝爾實驗室合作以PL/I語言建立的 Multics [1],是激發1970年代眾多作業系統建立的靈感來源,尤其是由 AT&T貝爾實驗室的 丹尼斯·里奇肯·湯普遜所建立的 Unix系統,為了實踐平台移植能力,此作業系統在1973年由 C語言重寫;另一個廣為市場採用的 小型電腦作業系統是 VMS

1980年代

第一代 微型计算机並不像大型電腦或小型電腦,沒有裝設作業系統的需求或能力;它們只需要最基本的作業系統,通常這種作業系統都是從 ROM讀取的,此種程式被稱為監視程式(Monitor)。1980年代,家用電腦開始普及。通常此時的電腦擁有8-bit處理器加上64KB 記憶體螢幕鍵盤以及低音質 喇叭。而80年代早期最著名的套裝電腦為使用微處理器6510(6502晶片特別版)的 Commodore C64。此電腦沒有作業系統,而是以一8KB唯讀記憶體 BIOS初始化彩色螢幕、鍵盤以及軟碟機和印表機。它可用8KB唯讀記憶體 BASIC語言來直接操作BIOS,並依此撰寫程式,大部分是遊戲。此BASIC語言的 直譯器勉強可算是此電腦的作業系統,當然就沒有 核心或軟硬體保護機制了。此電腦上的遊戲大多跳過BIOS層次,直接控制硬體。

家用電腦C64的抽象架構
簡單應用程式 机器语言
(遊戲直接操作)
8k BASIC ROM
8k ROM-BIOS
硬體中央處理器、儲存裝置等)

早期最著名的磁碟啟動型作業系統是 CP/M,它支援許多早期的微電腦,且被 MS-DOS大量抄襲其功能。最早期的IBM PC其架構類似C64。當然它們也使用了BIOS以初始化與抽象化硬體的操作,甚至也附了一個BASIC直譯器!但是它的BASIC優於其他公司產品的原因在於他有可攜性,並且相容於任何符合IBM PC架構的機器上。這樣的PC可利用 Intel-8088處理器(16-bit暫存器)定址,並最多可有1MB的記憶體,然而最初只有640KB。 軟式磁碟機取代了過去的磁帶機,成為新一代的儲存裝置,並可在他512KB的空間上讀寫。為了支援更進一步的檔案讀寫概念, 磁碟作業系統(Disk Operating System,DOS)因而誕生。此作業系統可以合併任意數量的磁區,因此可以在一張磁碟片上放置任意數量與大小的檔案。檔案之間以檔名區別。IBM並沒有很在意其上的DOS,因此以向外部公司購買的方式取得作業系統。1980年微軟公司取得了與IBM的合約,並且收購了一家公司出產的作業系統,在將之修改後以 MS-DOS的名義出品,此作業系統可以直接讓程式操作BIOS與檔案系統。到了 Intel-80286處理器的時代,才開始實作基本的儲存裝置保護措施。MS-DOS的架構並不足以滿足所有需求,因為它同時衹能執行最多一個程式(如果想要同時執行程式,只能使用 ISR(中斷處理常式)的方式來跳過OS而由程式自行處理多工的部份),且沒有任何記憶體保護措施。對驅動程式的支援也不夠完整,因此導致諸如音效裝置必須由程式自行設置的狀況,造成不相容的情況所在多有。某些操作的效能也是可怕地糟糕。許多應用程式因此跳過MS-DOS的服務程式,而直接存取硬體裝置以取得較好的效能。雖然如此,但MS-DOS還是變成了 IBM PC上面最常用的作業系統(IBM自己也有推出DOS,稱為IBM-DOS或 PC-DOS)。MS-DOS的成功使得 微软成為地球上最賺錢的公司之一。

MS-DOS在個人電腦上的抽象架構
普通 應用程式(Shell script、 文字編輯器
MS-DOS(檔案系統)
BIOS(驅動程式)
硬體中央處理器、儲存裝置等)

而1980年代另一個崛起的作業系統異數是 Mac OS,此作業系統緊緊與 麦金塔电脑綑綁在一起。此時一位 施乐 帕羅奧多研究中心的員工Dominik Hagen訪問了蘋果電腦的 史蒂夫·乔布斯,並且向他展示了此時全錄發展的圖形化使用者介面。蘋果電腦驚為天人,並打算向全錄購買此技術,但因帕羅奧多研究中心並非商業單位而是研究單位,因此全錄回絕了這項買賣。在此之後蘋果一致認為個人電腦的未來必定屬於圖形使用者介面,因此也開始發展自己的圖形化作業系統。現今許多我們認為是基本要件的圖形化介面技術與規則,都是由蘋果電腦打下的基礎(例如下拉式選單、桌面圖示、拖曳式操作與雙點擊等)。但正確來說,圖形化使用者介面的確是全錄創始的。

1990年代

Apple I電腦,蘋果電腦的第一代產品。

延續1980年代的競爭,1990年代出現了許多影響未來個人電腦市場深厚的作業系統。由於圖形化使用者介面日趨繁複,作業系統的能力也越來越複雜與巨大,因此強韌且具有彈性的作業系統就成了迫切的需求。此年代是許多套裝類的 個人電腦作業系統互相競爭的時代。

上一年代於市場崛起的蘋果電腦,由於舊系統的設計不良,使得其後繼發展不力,蘋果電腦決定重新設計作業系統。經過許多失敗的專案後,蘋果於1997年釋出新作業系統—— Mac OS X的測試版,而後推出的正式版取得了巨大的成功。讓原先失意離開蘋果的 史蒂夫·乔布斯風光再現。

除了商業主流的作業系統外,從1980年代起在 開放原碼的世界中, BSD系統也發展了非常久的一段時間,但在1990年代由於 與AT&T的法律爭端,使得遠在 芬蘭 赫爾辛基大學的另一股開源作業系統—— Linux興起。Linux核心是一個標準 POSIX核心,其血緣可算是Unix家族的一支。Linux與BSD家族都搭配 GNU計畫所發展的應用程式,但是由於使用的 许可证以及歷史因素的作弄下,Linux取得了相當可觀的開源作業系統市佔率,而BSD則小得多。相較於MS-DOS的架構,Linux除了擁有傲人的 可移植性(相較於Linux,MS-DOS衹能運行在Intel CPU上),它也是一個分時 多行程核心,以及良好的 記憶體空間管理(普通的行程不能存取核心區域的記憶體)。想要存取任何非自己的記憶體空間的行程衹能透過 系统调用來達成。一般行程是處於使用者模式(User mode)底下,而執行系統呼叫時會被切換成核心模式(Kernel mode),所有的特殊指令衹能在核心模式執行,此措施讓核心可以完美管理系統內部與外部裝置,並且拒絕無權限的行程提出的請求。因此理論上任何應用程式執行時的錯誤,都不可能讓系統 崩潰

幾乎完整的Linux架構圖
使用者
模式
應用程式(sh、 viOpenOffice.org等)
複雜 函式庫KDE、glib等)
簡單函式庫(opendbm、sin等)
C函式庫(open、fopen、socket、exec、calloc等)
核心
模式
系統中斷、呼叫、錯誤等軟硬體訊息
核心(驅動程式、行程、網路、内存管理等)
硬體(處理器、内存、各種裝置)

另一方面,微軟對於更強力的作業系統呼聲的回應便是 Windows NT於1993年的面世。

1983年開始微軟就想要為MS-DOS建構一個圖形化的作業系統應用程式,稱為Windows(有人說這是 比尔·盖茨被蘋果的Lisa電腦上市所刺激)。一開始Windows並不是一個作業系統,只是一個應用程式,其背景還是純MS-DOS系統,這是因為當時的BIOS設計以及MS-DOS的架構不甚良好之故。在1990年代初,微軟與IBM的合作破裂,微軟從 OS/2(早期為命令列模式,後來成為一個很技術優秀但是曲高和寡的圖形化作業系統)專案中抽身,並且在1993年7月27日推出 Windows 3.1,一個以OS/2為基礎的圖形化作業系統。並在1995年8月15日推出 Windows 95。直到這時,Windows系統依然是建立在MS-DOS的基礎上,因此消費者莫不期待微軟在2000年所推出的 Windows 2000上,因為它才算是第一個脫離MS-DOS基礎的圖形化作業系統。

底下的表格為Windows NT系統的架構:在硬體階層之上,有一個由微核心直接接觸的 硬體抽象層(HAL),而不同的驅動程式以模組的形式掛載在核心上執行。因此微核心可以使用諸如輸入輸出、檔案系統、網路、資訊安全機制與虛擬記憶體等功能。而系統服務層提供所有統一規格的函式呼叫庫,可以統一所有副系統的實作方法。例如儘管POSIX與OS/2對於同一件服務的名稱與呼叫方法差異甚大,它們一樣可以無礙地實作於系統服務層上。在系統服務層之上的副系統,全都是使用者模式,因此可以避免使用者程式執行非法行動。

簡化版本的Windows NT抽象架構
使用者
模式
OS/2
應用程式
Win32
應用程式
DOS
程式
Win16
應用程式
POSIX
應用程式
其他 DLL函式庫 DOS系統 Windows模擬系統
OS/2副系統 Win32副系統 POSIX.1副系統
核心
模式
系統服務層
輸入輸出管理
檔案系統、網路系統
物件管理系統 / 安全管理系統 / 行程管理 / 物件間通訊管理 / 行程間通訊管理 / 虛擬記憶體管理

微核心
視窗管理程式
驅動程式 硬體抽象層(HAL) 圖形驅動
硬體(處理器、記憶體、外部裝置等)

副系統架構第一個實作的副系統群當然是以前的微軟系統。DOS副系統將每個DOS程式當成一行程執行,並以個別獨立的MS-DOS虛擬機器承載其 運行環境。另外一個是Windows 3.1模擬系統,實際上是在Win32副系統下執行Win16程式。因此達到了安全掌控為MS-DOS與早期Windows系統所撰寫之舊版程式的能力。然而此架構只在 Intel 80386處理器及後繼機型上實作。且某些會直接讀取硬體的程式,例如大部分的Win16遊戲,就無法套用這套系統,因此很多早期遊戲便無法在Windows NT上執行。Windows NT有3.1、3.5、3.51與4.0版。Windows 2000是Windows NT的改進系列(事實上是Windows NT 5.0)、 Windows XP(Windows NT 5.1)以及 Windows Server 2003(Windows NT 5.2)與 Windows Vista(Windows NT 6.0)也都是立基於Windows NT的架構上。

而本年代漸漸增長並越趨複雜的嵌入式設備市場也促使 嵌入式作業系統的成長。

今日

現代作業系統通常都有一個使用的繪圖裝置的 图形用户界面(GUI),並附加如滑鼠或觸控面版等有別於鍵盤的輸入裝置。舊的OS或效能導向的伺服器通常不會有如此親切的介面,而是以 命令行界面(CLI)加上鍵盤為輸入裝置。以上兩種介面其實都是所謂的 ,其功能為接受並處理使用者的指令(例如按下一按鈕,或在命令提示列上鍵入指令)。

選擇要安裝的作業系統通常與其硬體架構有很大關係,只有 LinuxBSD幾乎可在所有硬體架構上執行,而Windows NT僅移植到了 DEC Alpha與 MIPS Magnum。在1990年代早期,個人電腦的選擇就已被侷限在 Windows家族、 類Unix家族以及Linux上,而以Linux及Mac OS X為最主要的另類選擇,直至今日。

大型機嵌入式系統使用很多樣化的作業系統。大型主機近期有許多開始支援 Java及Linux以便共享其他平台的資源。嵌入式系統近期百家爭鳴,從給 Sensor Networks用的 Berkeley Tiny OS到可以操作 Microsoft OfficeWindows CE都有。

个人电脑

個人電腦市場目前分為兩大陣營,此兩種架構分別有支持的作業系統:

  • Apple Macintosh - Mac OS X,Windows(僅Intel平台),Linux、BSD。
  • IBM相容PC - Windows、Linux、BSD、Mac OS X(非正式支援)。

大型電腦

最早的操作系统是针对20世纪60年代的大型主结构开发的,由于对这些系统在软件方面做了巨大投资,因此原来的计算机厂商继续开发与原来操作系统相兼容的硬件与操作系统。这些早期的操作系统是现代操作系统的先驱。现在仍被支持的大型主机操作系统包括:

  • Burroughs MCP-- B5000,1961 to Unisys Clearpath/MCP, present.
  • IBM OS/360 -- IBM System/360, 1964 to IBM zSeries, present
  • UNIVAC EXEC 8 -- UNIVAC 1108, 1964, to Unisys Clearpath Dorado, present.

现代的大型主机一般也可运行Linux或Unix变种。

嵌入式

嵌入式系統使用非常廣泛的系統(如 VxWorkseCosSymbian OSPalm OS)以及某些功能縮減版本的Linux或者其他作業系統。某些情況下,OS指稱的是一個內建了固定應用軟體的巨大泛用程式。在許多最簡單的嵌入式系統中,所謂的OS就是指其上唯一的應用程式。

類Unix系統

Unix系统的演变
KDE SC 4桌面

所謂的類Unix家族指的是一族種類繁多的OS,此族包含了 System VBSDLinux。由於Unix是 The Open Group的註冊商標,特指遵守此公司定義的行為的作業系統。而類Unix通常指的是比原先的Unix包含更多特徵的OS。

類Unix系統可在非常多的處理器架構下執行,在 伺服器系統上有很高的使用率,例如大專院校或工程應用的 工作站

1991年,芬兰学生 林纳斯·托瓦兹根据类Unix系统 Minix编写并发布了 Linux操作系统内核,其后在 理查德·斯托曼的建议下以 GNU通用公共许可证发布,成为 自由軟體Unix變種. Linux近來越來越受歡迎,它們也在個人桌面電腦市場上大有斬獲,例如 Ubuntu系統。

某些Unix變種,例如 惠普HP-UX以及IBM的 AIX僅設計用於自家的硬體產品上,而 SUNSolaris可安裝於自家的硬體或 x86電腦上。蘋果電腦的 Mac OS X是一個從 NeXTSTEPMach以及 FreeBSD共同衍生出來的微核心BSD系統,此OS取代了蘋果電腦早期非Unix家族的Mac OS。

經歷數年的披荊斬棘,自由 開源的Linux系統逐漸蠶食以往專利軟體的專業領域,例如以往電腦動畫運算巨擘── 硅谷图形公司(SGI)的 IRIX系統已被Linux家族及 貝爾實驗室研發小組設計的 九號計畫Inferno系統取代,皆用於分散運算式環境。它們並不像其他Unix系統,而是選擇內建 图形用户界面。九號計畫原先並不普及,因為它剛推出時並非自由軟體。後來改在自由及開源軟體許可證 Lucent Public License釋出後,便開始擁有廣大的使用者及社群。Inferno已被售予 Vita Nuova並以GPL/MIT許可證釋出。

當前,計算機按照計算能力排名世界500強中472台使用Linux,6台使用Windows,其餘為各類 BSD等Unix。 [來源請求]

微軟Windows

Microsoft Windows系列作業系統是在微軟給IBM機器設計的 MS-DOS的基礎上設計的圖形作業系統。現在的Windows系統,如Windows 2000、Windows XP皆是建立于現代的 Windows NT核心。NT核心是由 OS/2OpenVMS等系統上借用來的。Windows可以在32位元和64位元的 IntelAMD的處理器上運行,但是早期的版本也可以在 DEC AlphaMIPSPowerPC架構上運行。

雖然由於人們對於開放原始碼作業系統興趣的提升,Windows的市場佔有率有所下降,但是到2004年為止,Windows作業系統在世界範圍內佔據了桌面作業系統90%的市場。 [2]

Windows系統也被用在低階和中階伺服器上,並且支援網頁服務的資料庫服務等一些功能。最近微軟花費了很大研究與開發的經費用於使Windows擁有能運行企業的大型程式的能力。

Windows XP在2001年10月25日發佈,2004年8月24日發佈服務包2(Service Pack 2),2008年4月21日發佈最新的服務包3(Service Pack 3)。

微軟上一款作業系統Windows Vista(開發代碼為Longhorn)於2007年1月30日發售 [3]Windows Vista增加了許多功能,尤其是系統的安全性和網路管理功能,並且其擁有介面華麗的 Aero Glass。但是整體而言,其在全球市場上的口碑卻並不是很好。其後繼者 Windows 7則是於2009年10月22日發售, Windows 7改善了 Windows Vista為人詬病的效能問題,相較於 Windows Vista,在同樣的硬體環境下, Windows 7的表現較Windows Vista為好。而最新的 Windows 10則是於2015年7月29日發售。

苹果macOS

Mac OS X 10.7

macOS,前称“Mac OS X”或“OS X”,是一套运行于苹果 Macintosh系列电脑上的操作系统。Mac OS是首个在商用领域成功的 图形用户界面系统。Macintosh开发成员包括 比尔·阿特金森(Bill Atkinson)、 杰夫·拉斯金(Jef Raskin)和 安迪·赫茨菲尔德(Andy Hertzfeld)。从OS X 10.8开始在名字中去掉Mac,仅保留OSX和版本号。2016年6月13日在WWDC2016上,苹果公司将OS X更名为macOS,现行的最新的系统版本是 macOS High Sierra

Chrome OS

Google Chrome OS是一项Google的轻型电脑操作系统计划,其基于Google的浏览器 Google Chrome的Linux内核。

其他

大型主機以及 嵌入式作業系統均與Unix或Windows家族關係不大,除了 AndroidWindows CEWindows NTWindows XP Embedded是Windows的血親產品,以及數種*BSD和嵌入式Linux套件為例外。

少數較舊的OS今日依然在一些需要穩定性的市場中活躍,例如IBM的 OS/2 [註 1]BeOS以及 XTS-400。

達康時代狂潮過後,如 AmigaOSRISC OS等少數人使用的OS依然持續建立,以滿足狂熱的愛好者社群與特殊專業使用者。

优秀的操作系统必定要具备能让各种能力级别的用户满足各种需求的工具包可视化的高效简便程序环境,以程序来创建程序,就如立法的法律指导规范新的法案的创建。这其实是操作系统所隐含的一部分,决定了可以有多强的扩充能力。比如,某个操作系统有对应的开发者工具包集成环境程序并且是个可视化的,还能让能力不太高的人一看能懂的,用于修改某个声音合成器包含频谱显示,可要是操作系统本身不支持也没有提供可用的工具程序,就会变得很繁琐,很可能为了达到这个目标,开发者就要预备好各种相关的工具程序,甚至自己来编写一系列相关的工具程序创建专门的工具包,最后还要检查代码。若是有人想通过音乐来生成五线谱,要对类似标记语言的五线谱规则对应一下,对各种音色,音准采集并总结出一整套规律,通过声音识别可以识别出乐器的类别等,进而标出乐符完成从声音到乐谱的转换并生成。可是对人声却又更为复杂也不必要如此。若是需要用声音的波形图重现声音,没有相关的工具集是相当难实现,另外只有使用同一套声音的波形绘制规则的所生成的波形图用来再现的声音才是原来的声音。

在作为商品出售的操作系统软件的历史中常常因为其中包含的浏览器,媒体播放器在美国遭到反垄断起诉,差点使得功能上残缺不全。少数操作系统软件能够提供较为全面的App和实用工具程序。

操作系统软件的编译也需要对应的编译环境。

在同一台计算机上运行不同的操作系统软件,就能够以不同的方式来使用计算机资源。比如,在Mac上运行OS X和Windows以两种不同的技术 OpenCLCore Image: DirectX来使用图形卡实现类似的作用。

通过图像识别和声音识别来进行信息搜索。

能够满足不同需求所要求的精确程度对时间的精细划分,以及尺度细分可以互联,同步,协调原本必須由多个人协同合作才能完成的随时需要调整并相互同步的操控作业,这就必须有即时消息传送显示,可视化的用于协调同步计划任务的配置脚本,以及执行这样计划任务的完整组件。

未來

研究與建立未來的作業系統依舊進行著。作業系統朝提供更省電、網路化、易用、華麗的使用者介面的方向來改進。類UNIX OS通過和 桌面環境開發者協作,正努力讓自己改進使用環境。

eyeOS是一套基於PHP實現的半開源模擬雲端運算操作系統,但其實質只是在網路瀏覽器中提供一種類似無界限的類獨立操作系統,其並非於任何類似虛擬化中實現的真正電腦操作系統,能提供諸如Word、PPT、Excel的在線處理功能…

GNU Hurd是一個以完全相容Unix並加強許多功能为目标的微核心架構。微軟 Singularity是一個奠基於 .Net並以建立較佳 記憶體保護機制為目標的研究計畫。

其他语言
Acèh: OS
Alemannisch: Betriebssystem
العربية: نظام تشغيل
azərbaycanca: Əməliyyat sistemi
žemaitėška: Uoperacėnė sėstema
беларуская (тарашкевіца)‎: Апэрацыйная сыстэма
Mìng-dĕ̤ng-ngṳ̄: Chŏ̤-cáuk hiê-tūng
Esperanto: Operaciumo
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hornjoserbsce: Dźěłowy system
Bahasa Indonesia: Sistem operasi
Interlingue: Operativ systema
íslenska: Stýrikerfi
Qaraqalpaqsha: Operatsion sistema
Taqbaylit: Anagraw n wammud
한국어: 운영 체제
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Pälzisch: Betriebssyschdem
português: Sistema operativo
русиньскый: Операчна сістема
davvisámegiella: Operatiivavuogádat
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