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Vorlesungen im WS 2002/2003 Mikrorechnertechnik I Uwe Brinkschulte Universität Karlsruhe Institut für Prozessrechentechnik, Automation Mikrocontroller.

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Präsentation zum Thema: "Vorlesungen im WS 2002/2003 Mikrorechnertechnik I Uwe Brinkschulte Universität Karlsruhe Institut für Prozessrechentechnik, Automation Mikrocontroller."—  Präsentation transkript:

1 Vorlesungen im WS 2002/2003 Mikrorechnertechnik I Uwe Brinkschulte Universität Karlsruhe Institut für Prozessrechentechnik, Automation Mikrocontroller und Mikroprozessoren Theo Ungerer Universität Augsburg Institut für Informatik

2 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 2 Allgemeines Gemeinsame Televorlesung Karlsruhe / Augsburg KarlsruheAugsburg Prof. Dr. U. BrinkschulteProf. Dr. Th. Ungerer Donnerstag, 10: :30Dienstag, 10:30-11:30 Zi. 119, Gebäude 40.28Zi. 403, Geb. Eichleitnerstr.30

3 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 3 Allgemeines Buch zur Vorlesung: Brinkschulte, Ungerer Mikrocontroller und Mikroprozessoren Springer Verlag, Heidelberg, 2002

4 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 4 Vorlesungsziele Grundlagen der Mikrorechnertechnik Aufbau und Funktionsweise von Mikroprozessoren Aufbau und Funktionsweise von Mikrocontrollern Beispiele heutiger industrieller Mikroprozessoren und -controller Stand der Forschung und Zukunftstechnolgien Vermittelt werden sollen:

5 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 5 Vorlesungsziele Zusammenspiel der Komponenten eines Mikrorechnersystems Bussysteme, Peripherie, modularere Systemaufbau Signalprozessoren Einsatz und Aufbau von Feldbussen Dienstkonstruktion für mikrorechnergestützte Automatisierungssysteme Vorlesung Mikrorechnertechnik II (Sommersemester in Karlsruhe)

6 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 6 Vorlesungsinhalte und -strukturierung 1. Grundlagen 2. Grundlegende Prozessortechniken 3. Mikrocontroller 4. Mikrocontroller-Komponenten 5. Beispiele verschiedener Mikrocontroller 6. Hochperformante Mikroprozessoren 7. Die Superskalartechnik 8. Beispiele verschiedener Mikroprozessoren 9. Zukunftstechniken

7 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 7 1. Grundlagen 1.1Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC Einige grundlegende Begriffe zu Mikroprozessoren Mikroprozessor: Zentraleinheit eines Datenverarbeitungssystems heute meist mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Chip untergebracht Zentraleinheit = CPU, Central Processing Unit

8 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 8 1. Grundlagen Basiskomponenten eines Mikroprozessors Rechenwerk Steuerwerk Schnittstelle zur Außenwelt Weitere Komponenten (je nach Komplexität) Cache Virtuelle Speicherverwaltung Ziel: möglichst effiziente Ausführung eines Programms

9 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 9 1. Grundlagen Weitere Begriffe: Mikroprozessorsystem Technisches System, welches einen Mikroprozessor enthält. Dies muss kein Rechner sein. Mikrorechner (Mikrocomputer) Rechner, der als Zentraleinheit einen oder mehrere Mikroprozessoren enthält. Enthält weiterhin Speicher, Ein-/Ausgabeschnittstellen sowie ein Verbindungssystem.

10 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Mikrorechnersystem (Mikrocomputersystem) Mikrorechner mit an die Ein-/Ausgabeschnittstellen angeschlossenen Peripheriegeräten, z.B. Maus, Tastatur, Bildschirm, Drucker,...

11 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen

12 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Mikrocontroller Mikrorechner auf einem Chip Ziel: Steuerungs- oder Kommunikationsaufgabe mit möglichst wenigen Bausteinen lösen Prozessorkern, Speicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen sind auf die Lösung solcher Aufgaben zugeschnitten es existiert eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller

13 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Deshalb meist: Organisation in Mikrocontrollerfamilien Die Mitglieder einer Familie besitzen meist gleichen Prozessorkern unterschiedlichen Speicher unterschiedliche Ein-/Ausgabeschnittstellen

14 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen SoC (Systems on Chip) Konsequente Weiterentwicklung der Mikrocontrolleridee, Systeme mit möglichst wenigen Bausteinen zu realisieren Mikrocontroller: standardisierter Rechnerbaustein, mit wenigen anderen Komponenten entsteht anwendungsspezifisches System SoC: vollständiges anwendungsspezifisches System auf einem einzigen Chip

15 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Realisierungsmöglichkeiten von SoC Bereitstellung und Kombination von Hardwarebibliotheken => FPGA, ASIC Rekonfigurierbare Hardware - Fester Prozessorkern und Speicher - Rekonfigurierbare Zellen Weitere Herausforderung bei SoC: Kombination von analogen und digitalen Komponenten

16 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Signalprozessoren Spezielle Prozessorarchitekturen zur Verarbeitung analoger Signale Hochleistungsarithmetik zur schnellen fortgesetzten Multiplikation und Addition (MAC, Multiply and Accumulate) => schnelle Berechnung von Polynomen vom Anwender steuerbare Parallelität spezielle Schnittstellen zur Ein- und Ausgabe von analogen Signalen Werden in der Vorlesung MRT II näher behandelt

17 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen 1.2PC-Systeme Heute verbreitetste Form von Mikrorechnern 1980 von IBM eingeführt unter ständiger Weiterentwicklung zum Quasi-Standard geworden Merkmale: zentrales Motherboard (Mainboard), zusätzliche Komponenten in Form von Steckkarten

18 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Grundlegende Bestandteile eines PCs: Mikroprozessor Cache Northbridge Systembus und Hauptspeicher Southbridge Ein-/Ausgabeeinheiten

19 1. Grundlagen Beispiel: K7M Motherboard von Asus

20 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Eigenschaften der verschiedenen Busse:

21 Layout: Athlon Motherboard K7M von Asus

22 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen 1.3Eingebettete und ubiquitäre Systeme Eingebettete Systeme Datenverarbeitungssysteme, die in ein technisches Umfeld eingebettet sind Steuern und Überwachen dieses Umfeld Beispiel: Steuerung einer Kaffeemaschine: Koordination von Wasserbehälter, Heizung und Ventilen zur Bereitung eines Kaffees Ein wesentliches Anwendungsfeld von Mikrocontrollern und Mikroprozessoren

23 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Weiteres Beispiel: PC auf dem Schreibtisch zu Hause kein eingebettetes System, stellt seine Datenverarbeitungsleistung dem Menschen zur Verfügung PC in der Fabrikhalle zur Steuerung einer Anlage eingebettetes System

24 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Gegenüber reinen Rechensystemen stellen eingebettete Systeme weitere Anforderungen: Schnittstellenanforderungen mehr und vielfältigere Schnittstellen als bei reinen Rechensystemen Mechanische Anforderungen robuster Aufbau, rauhe Umgebung, mechanische Belastung, begrenzter Raum, vorgegebene geometrische Form

25 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Elektrische Anforderungen vorgegebene Versorgungsspannung, limitierter Energieverbrauch, geringe Abwärme Zuverlässigkeitsanforderungen Ausfallsicherheit, Notbetrieb, z.B. bei Bremsen, der Steuerung eines Kernreaktors, einem Flugzeug,... Zeitanforderungen Ausführung von Tätigkeiten innerhalb einer vorgegebenen Zeit => Echtzeitsysteme

26 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Einige zusätzliche Bemerkungen zu Echtzeitsystemen Nicht-Echtzeitsystem:logische Korrektheit Echtzeitsystem: logische Korrektheit + zeitliche Korrektheit Ein Ergebnis ist nur korrekt, wenn es logisch korrekt ist und zur rechten Zeit zur Verfügung steht!

27 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Klassen von Echtzeitsystemen: Harte Echtzeitsysteme Zeitbedingungen müssen unter allen Umständen eingehalten werden. Das Verpassen einer Zeitschranke ist nicht tolerierbar Beispiel:Kollisionserkennung in einem automatischen Fahrzeug

28 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Klassen von Echtzeitsystemen: Feste Echtzeitsysteme Feste Zeitschranken Ein Ergebnis ist nach Überschreiten der Zeitschranke wertlos (Verfallsdatum) Die Folgen sind jedoch nicht unmittelbar katastrophal Beispiel:Positionserkennung in einem automatischen Fahrzeug

29 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Klassen von Echtzeitsystemen: Weiche Echtzeitsysteme Weiche Zeitschranken Ein Überschreiten um einen gewissen Wert ist tolerierbar Mehr Richtlinie denn harte Zeitschranke Beispiel:Periodische Temperaturmessung für eine Anzeige

30 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Wesentliche Anforderungen an Echtzeitsysteme Zeitliche Vorhersagbarkeit spielt die dominierende Rolle eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ohne Vorhersagbarkeit ist wertlos wichtige Größe: WCET (Worst Case Execution Time) heutige Prozessoren mit Caches und spekulativer Programmausführung sind hier problematisch

31 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Grundlagen Längerfristige Verfügbarkeit Leistung muss über einen längeren Zeitraum erbracht werden Betriebspausen, z.B. zur Reorganisation, sind nicht zulässig (Beispiel Garbage Collection)

32 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 32 Anwendung: Allgegenwärtige Computer - Ubiquitous Computing allgegenwärtig = überall verbreitet = ubiquitär Computer unsichtbar, hinter Alltags- gegenständen verborgen Neuer Begriff: Ubiquitous Computing

33 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 33 Begriff Ubiquitous Computing q Anfang der 90er Jahre von Mark Weiser geprägt q Zukunftsvision: Mit Mikroelektronik angereicherte Gegenstände sollen so alltäglich werden, dass die enthaltenen Rechner als solche nicht mehr wahrgenommen werden. q Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung der eingebetteten Systeme. m Zusätzlich zu einem eingebetteten System kommt noch Umgebungswissen hinzu, das es diesem System erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen. q Als ubiquitäre (allgegenwärtige) Systeme bezeichnet man eingebettete Rechnersysteme, die selbstständig auf ihre Umwelt reagieren. q Rechner in dienender und nicht beherrschender Rolle. q Die Benutzer sollen nicht in eine virtuelle Welt gezogen werden, sondern die gewohnte Umgebung soll mit Computerleistung angereichert werden.

34 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 34 Die dritte Ära der Rechnernutzung Phase 1: Großrechner Phase 2: Personal Computer Phase 3: Ubiquitäre Systeme

35 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 35 Was kennzeichnet ubiquitäre Systeme? 5 Merkmale q Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung sogenanntereingebetteter Systeme m Rechner, die in technische Systeme eingebettet sind, also z.B. Waschmaschine, Fahrkartenautomaten, ABS im Auto etc. q überall in hoher Zahl vorhanden - Allgegenwart q ubiquitäre Systeme nutzen drahtlose Vernetzung m Handytechnologien, Funk-LAN, Bluetooth, Infrarot q Umgebungswissen, das es ubiquitären Systemen erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen q Neue Geräte wie z.B. Handhelds, tragbare Rechner

36 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 36 Technologien ubiquitärer Systeme Einbeziehung von Informationen aus der natürlichen Umgebung der Geräte Umgebungswissen erstellt durch Erfassung, Interpretation, Speicherung, Austausch und Verbindung von Sensorendaten Umgebungswissen erlaubt ubiquitären Systemen sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen Gerät kann Informationen in Abhängigkeit vom jeweiligen Aufenthaltsort auswählen und anzeigen Gerät passt sich in seinem Verhalten der jeweiligen Umgebung an

37 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 37 Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)

38 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 38 Wie funktioniert die Tasse? q Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. q Kern ist ein kleiner Mikroocontroller q Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; ein 15 minütiger Aufladevorgang kann die Tasse etwa 10 Stunden mit Energie versorgen. q Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. q Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet.

39 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 39 Leistungsmessung und Leistungsvergleich q Auswahl einer Rechenanlage q Veränderung der Konguration einer bestehenden Anlage (tuning) q Entwurf von Rechenanlagen Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit: (1)analytische Berechnungen (2)Laufzeitmessungen bestehender Programme

40 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 40 Analytische Methoden q Maßzahlen für die Operationsgeschwindigkeit: (Hypothetische Maximalleistung !!) m MIPS (Millions of Instructions per Second) m MFLOPS (Millions of Floating Point Operations per Sec.) q Mixe: (ebenfalls theoretisch errechnet) m Bei einem Mix wird für jeden einzelnen Befehl die mittlere Ausführungszeit bestimmt, die zusätzlich durch charakteristische Gewichtungen bewertet wird. q Kernprogramme: m typische Anwendungsprogramme, die für einen zu bewertenden Rechner geschrieben werden keine Messungen am Rechner, sondern die Gesamtausführungszeit wird anhand der Ausführungszeiten für die einzelnen benötigten Maschinenbefehle berechnet.

41 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 41 Benchmark-Programme q Ein Benchmark besteht aus einem oder mehreren Programmen im Quellcode. q Diese werden für die zu vergleichenden Rechner übersetzt, danach werden die Ausführungszeiten gemessen und verglichen. Es geht immer auch der gesamte Rechneraufbau sowie die Güte des verwendeten Compilers und der Betriebssoftware mit ein. q Benchmarks können sein: m Pakete von echten Benutzerprogrammen Standardisierte Benchmarks SPEC-Benchmark Suite

42 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 42 SPEC-Benchmarks q SPEC Standard Performance Evaluation Corporation (seit 1989, verschiedene Hersteller zusammengeschlossen) allgemeine Anwendungsaufgaben für Rechensysteme, vor allem Angabe von Geschwindigkeit und Durchsatz q Zahlreiche Benchmark suites, z.B. m SPEC95, m SPECweb96, m SPEC JVM98 SPEC JBB2000 m SPEC2000

43 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 43 SPEC95 m Gemessen wird CPU-Leistung inkl. Cache, Hauptspeicher und Compiler, kaum Betriebssystem und Ein-/Ausgabe m Referenzrechner der SPEC95-Benchmark-Suite: Sun SPARCstation 10/40-Rechner mit vier 40 MHz SuperSPARC-Prozessoren ohne Sekundär-Cache, m Integer-Test-Programme (ANSI C) m Gleitkomma-Programme (Fortran77) m SPECmark: Kennzahl ist geometrische Mittel aller Kennzahlen der Programmfolge

44 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 44 SPECint95: 8 Integer-Test-Programme (ANSI C) q go: Go-Spiel, das drei Spiele gegen sich selbst spielt, q m88ksim: ein Simulator für den Mikroprozessor, q gcc: der GNU-C-Compiler, q compress: Komprimierprogramm, q li: LISP-Interpreter, q ijpeg: JPEG-Komprimierprogramm, q perl: PERL-Interpreter, q vortex: Transaktions-Benchmark mit einer objektorientierten Einbenutzer-Datenbank von 40 Mbyte Größe.

45 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 45 SPECfp95: 10 Gleitkomma-Programme (Fortran77) q tomcatv: Netzgenerator mit doppelter Genauigkeit, q swim: Berechnung eines Wasserwellenmodells in einfacher Genauigkeit, q su2cor: Monte-Carlo-Simulation aus dem Bereich der Quantenphysik, q hydro2d: Lösung einer hydrodynamischen Navier-Stokes- Gleichung zur Berechnung galaktischer Strömungen, q mgrid: Gleichungslöser nach dem Mehrgitter-Verfahren im dreidim. Potentialfeld,

46 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 46 SPECfp95: 10 Gleitkomma-Programme (Fortran77) q applu: Lösung einer parabolischen-elliptischen partiellen Differentialgleichung, q turb3d: Simulation isotropischer, homog. Turbulenzen (Würfel, Navier-Stokes-Gl.) q apsi: berechnet Temperatur, Wind, Ausbreitungsgeschw. und die Verteilung von Umweltverschmutzungen, q fppp: Quantenchemie, q wave5: zweidim. Simulation elektromagnetischer Partikel aus der Plasmaphysik.

47 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 47 Beispiel zu SPEC MHz Pentium III: SPEC-int95 = 24 SPECfp95 = 15.9 q 450 MHz Sun UltraSPARC-II: SPECint95 = 19.7 SPECfp95 = 27.9 q Ziel: vergleichbare Angaben für unterschiedliche Systeme q Warnung: einzelne Werte geben nicht immer reale Verhältnisse wieder, daher nur erster Anhaltspunkt für eine Rechnerauswahl

48 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 48 Weitere Benchmark Suites q Basic Linear Algebra Subprograms (BLAS): m für numerische Anwendungen m Kern des LINPACK-Softwarepakets zur Lösung von Systemen linearer Gleichungen m TOP-500-Liste der größten Parallelrechner q Whetstone-Benchmark: m in den siebziger Jahren entwickelt m besteht aus einem einzigen Programm mit viel Gleitkommarechnungen q Dhrystone-Benchmark: m weiteres synthetisches Benchmark-Programm m Heute nur noch wenig aussagekräftig q Powerstone-Benchmark-Suite m um den Energieverbrauch verschiedener Mikrocontroller zu vergleichen

49 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 49 Powerstone-Benchmarkprogramme Auto: Fahrzeugsteuerungen, Bilv: logische Operationen und Schieben, Bilt: grafische Anwendung, Compress: UNIX-Kompressions- Programm, Crc: CRC-Fehlererkennung, Des: Datenverschlüsselung, Dhry: Dhrystone, Engine: Motor-Steuerung, fir_int: ganzzahlige FIR-Filter, G3fax: FAX Gruppe 3, G721: Audio-Kompression, Jpeg: JPEG-24-Bit-Kompression, Pocsag: Kommunikationsprotokoll für Pager, Servo: Festplattensteuerung, Summin: Handschriftenerkennung, Ucbqsort: Quick Sort, V42bits: Modem-Betrieb, Whet: Whetstone.


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