eda數(shù)字時(shí)鐘課程設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p><b>  摘要: </b></p><p>  EDA(Electronic Design Automation)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,就是以大規(guī)??删幊唐骷樵O(shè)計(jì)載體,以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式,通過(guò)相關(guān)的軟件,自動(dòng)完成用軟件方式設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng), 最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)S眉尚酒?。本次?shí)習(xí)利用QuartusII 為設(shè)計(jì)軟件、VHDL 為硬件描述語(yǔ)言

2、,結(jié)合所學(xué)的數(shù)字電路的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)12 時(shí)多功能數(shù)字鐘,具有正常時(shí)、分、秒、1/10秒計(jì)時(shí),動(dòng)態(tài)顯示,清零等功能。利用硬件描述語(yǔ)言VHDL 對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)子模塊進(jìn)行邏輯描述,采用模塊化的設(shè)計(jì)思想完成頂層模塊的設(shè)計(jì),通過(guò)軟件編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合優(yōu)化、邏輯布線、邏輯仿真,最終將設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)下載設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行硬件測(cè)試。</p><p>  Abstract: EDA (Electron

3、ic Design Automation), electronic design automation, is based on the design of large-scale programmable devices for carrier, logic for the system with hardware description language describing the main expressions, throug

4、h the relevant software, automating software design of electronic systems, hardware systems, resulting in integrated electronic systems or special-purpose integrated circuits. This practice QuartusII design software, the

5、 VHDL hardware description language, </p><p><b>  課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>  一、任務(wù)和設(shè)計(jì)要求</b></p><p>  1. 熟悉集成電路的引腳安排。</p><p>  2. 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。<

6、/p><p>  3. 了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。 </p><p>  4. 熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作。</p><p><b>  1.設(shè)計(jì)指標(biāo) </b></p><p>  (1)時(shí)間以 24 小時(shí)為一個(gè)周期; </p><p> ?。?)顯示時(shí)、分、秒; </p><p&g

7、t; ?。?)有校時(shí)功能,可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí),使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間; </p><p> ?。?)計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能,當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前 5 秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)。</p><p><b>  2.設(shè)計(jì)要求 </b></p><p> ?。?)畫(huà)出電路原理圖(或仿真電路圖); </p><p> ?。?)元器件及參數(shù)選

8、擇; </p><p> ?。?)電路仿真與調(diào)試</p><p><b>  二、設(shè)計(jì)原理</b></p><p><b>  設(shè)計(jì)思路</b></p><p>  根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自頂向下設(shè)計(jì)方法,由時(shí)鐘分頻部分、計(jì)時(shí)部分、按鍵部分調(diào)時(shí)部分和顯示部分五個(gè)部分組成。這些模塊都放在一個(gè)頂

9、層文件中。</p><p><b>  1)時(shí)鐘計(jì)數(shù):</b></p><p>  首先下載程序進(jìn)行復(fù)位清零操作,電子鐘從00:00:00計(jì)時(shí)開(kāi)始。sethour可以調(diào)整時(shí)鐘的小時(shí)部分, setmin可以調(diào)整分鐘,步進(jìn)為1。</p><p>  由于電子鐘的最小計(jì)時(shí)單位是1s,因此提供給系統(tǒng)的內(nèi)部的時(shí)鐘頻率應(yīng)該大于1Hz,這里取100Hz。CL

10、K端連接外部10Hz的時(shí)鐘輸入信號(hào)clk。對(duì)clk進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)clk=10時(shí),秒加1,當(dāng)秒加到60時(shí),分加1;當(dāng)分加到60時(shí),時(shí)加1;當(dāng)時(shí)加到24時(shí),全部清0,從新計(jì)時(shí)。</p><p>  用6位數(shù)碼管分別顯示“時(shí)”、“分”、“秒”,通過(guò)OUTPUT( 6 DOWNTO 0 )上的信號(hào)來(lái)點(diǎn)亮指定的LED七段顯示數(shù)碼管。</p><p><b>  時(shí)間設(shè)置:</b>

11、</p><p>  手動(dòng)調(diào)節(jié)分鐘、小時(shí),可以對(duì)所設(shè)計(jì)的時(shí)鐘任意調(diào)時(shí)間,這樣使數(shù)字鐘真正具有使用功能。我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)板上的鍵7和鍵4進(jìn)行任意的調(diào)整,因?yàn)槲覀冇玫臅r(shí)鐘信號(hào)均是1HZ的,所以每LED燈變化一次就來(lái)一個(gè)脈沖,即計(jì)數(shù)一次。</p><p><b>  3)清零功能:</b></p><p>  reset為復(fù)位鍵,低電平時(shí)實(shí)現(xiàn)清零功能

12、,高電平時(shí)正常計(jì)數(shù)??梢愿鶕?jù)我們自己任意時(shí)間的復(fù)位。</p><p><b>  總體結(jié)構(gòu)圖</b></p><p><b>  三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>  1)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)器</p><p>  時(shí)計(jì)時(shí)器為一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器,分、秒計(jì)時(shí)器均為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)秒計(jì)時(shí)器接受到一個(gè)秒脈

13、沖時(shí),秒計(jì)數(shù)器開(kāi)始從1計(jì)數(shù)到60,此時(shí)秒顯示器將顯示00、01、02、...、59、00;每當(dāng)秒計(jì)數(shù)器數(shù)到00時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出送至分計(jì)時(shí)器,此時(shí)分計(jì)數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1,其顯示器將顯示00、01、02、...、59、00;每當(dāng)分計(jì)數(shù)器數(shù)到00時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出送至?xí)r計(jì)時(shí)器,此時(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1,其顯示器將顯示00、01、02、...、23、00。即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到23點(diǎn)59分59秒時(shí),當(dāng)秒計(jì)時(shí)器在接受一個(gè)秒脈

14、沖,數(shù)字鐘將自動(dòng)顯示00點(diǎn)00分00秒。</p><p><b>  2)校時(shí)電路</b></p><p>  當(dāng)開(kāi)關(guān)撥至校時(shí)檔時(shí),電子鐘秒計(jì)時(shí)工作,通過(guò)時(shí)、分校時(shí)開(kāi)關(guān)分別對(duì)時(shí)、分進(jìn)行校對(duì),開(kāi)關(guān)每按1次,與開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的時(shí)或分計(jì)數(shù)器加1,當(dāng)調(diào)至需要的時(shí)與分時(shí),撥動(dòng)reset開(kāi)關(guān),電子鐘從設(shè)置的時(shí)間開(kāi)始往后計(jì)時(shí)。</p><p><b> 

15、 四、參考程序</b></p><p><b>  Alert模塊</b></p><p>  LIBRARY IEEE;</p><p>  USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;</p><p>  USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;</p>

16、<p>  ENTITY alert IS</p><p>  PORT(clk:IN STD_LOGIC;</p><p>  dain:IN STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);</p><p>  speak:OUT STD_LOGIC;</p><p>  lamp:OUT STD_LOGIC_VECT

17、OR(2 DOWNTO 0));</p><p>  END alert;</p><p>  ARCHITECTURE fun OF alert IS </p><p>  SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);</p><p>  SIGNAL count1:STD_LOGIC_VECTOR(

18、1 DOWNTO 0);</p><p><b>  BEGIN</b></p><p>  speaker:PROCESS(clk)</p><p><b>  BEGIN</b></p><p>  --speak<=count1(1);</p><p>  IF(

19、clk'event and clk='1')THEN</p><p>  IF(dain="0000000")THEN</p><p>  speak<=count1(1);</p><p>  IF(count1>="10")THEN</p><p>  count

20、1<="00";--count1為三進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器</p><p><b>  ELSE</b></p><p>  count1<=count1+1;</p><p>  --speak<=count1(0);</p><p><b>  END IF ; </b&

21、gt;</p><p><b>  END IF ;</b></p><p><b>  END IF ; </b></p><p>  END PROCESS speaker;</p><p>  lamper:PROCESS(clk)</p><p><b>

22、  BEGIN</b></p><p>  IF(rising_edge(clk))THEN</p><p>  IF(count<="10")THEN</p><p>  IF(count="00")THEN</p><p>  lamp<="001";--

23、循環(huán)點(diǎn)亮三只燈</p><p>  ELSIF(count="01")THEN</p><p>  lamp<="010";</p><p>  ELSIF(count="10")THEN</p><p>  lamp<="100";</p>

24、;<p><b>  END IF;</b></p><p>  count<=count+1;</p><p><b>  ELSE</b></p><p>  count<="00";</p><p><b>  END IF;</b

25、></p><p><b>  END IF;</b></p><p>  END PROCESS lamper;</p><p><b>  END fun;</b></p><p><b>  Hour模塊</b></p><p>  LIBR

26、ARY IEEE;</p><p>  use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;</p><p>  USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;</p><p>  ENTITY hour IS</p><p>  PORT(clk,reset:IN STD_LOGIC;</p><p

27、>  daout:out STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0));</p><p>  END ENTITY hour;</p><p>  ARCHITECTURE fun OF hour IS</p><p>  SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); </p><p&

28、gt;<b>  BEGIN</b></p><p>  daout<=count;</p><p>  PROCESS(clk,reset)</p><p><b>  BEGIN</b></p><p>  IF(reset='0')THEN count<=&quo

29、t;000000"; --若reset=0,則異步清零</p><p>  ELSIF(clk'event and clk='1')THEN --否則,若clk上升沿到</p><p>  IF(count(3 DOWNTO 0)="1001")THEN --若個(gè)位計(jì)時(shí)恰好到"1001"即9<

30、/p><p>  IF(count<16#23#)THEN --23進(jìn)制</p><p>  count<=count+7; --若到23D則</p><p><b>  else</b></p><p>  count<="000000&quo

31、t;; --復(fù)0</p><p><b>  END IF;</b></p><p>  ELSIF (count<16#23#)THEN --若未到23D,則count進(jìn)1</p><p>  count<=count+1;</p><p>  ELSE

32、 --否則清零</p><p>  count<="000000";</p><p>  END IF; --END IF(count(3 DOWNTO 0)="1001")</p><p>  END IF; --END IF(reset='0')

33、</p><p>  END PROCESS;</p><p><b>  END fun;</b></p><p><b>  Minute模塊</b></p><p>  LIBRARY IEEE;</p><p>  USE IEEE.STD_LOGIC_1164.AL

34、L;</p><p>  USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;</p><p>  ENTITY minute IS</p><p>  PORT(clk,clk1,reset,sethour:IN STD_LOGIC; </p><p>  enhour:OUT STD_LOGIC;</p>&l

35、t;p>  daout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));</p><p>  END ENTITY minute ;</p><p>  ARCHITECTURE fun OF minute IS</p><p>  SIGNAL count :STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0);</p>

36、<p>  SIGNAL enhour_1, enhour_2: STD_LOGIC; --enmin_1為59分時(shí)的進(jìn)位信號(hào)</p><p>  BEGIN --enmin_2由clk調(diào)制后的手動(dòng)調(diào)時(shí)脈沖信號(hào)串</p><p>  daout<=count;</p><p>  enhour_2&

37、lt;= (sethour and clk1); --sethour為手動(dòng)調(diào)時(shí)控制信號(hào),高電平有效</p><p>  enhour<= (enhour_1 or enhour_2);</p><p>  PROCESS(clk,reset,sethour)</p><p><b>  BEGIN </b></p><

38、p>  IF(reset='0') THEN --若reset為0,則異步清零</p><p>  count<="0000000";</p><p>  ELSIF(clk'event and clk='1')THEN --否則,若clk上升沿到</p><p>  IF(count (3

39、DOWNTO 0) ="1001")THEN--若個(gè)位計(jì)時(shí)恰好到"1001"即9</p><p>  IF(count <16#60#) THEN --又若count小于16#60#,即60 </p><p>  IF(count="1011001") THEN--又若已到59D</p>&l

40、t;p>  enhour_1<='1'; --則置進(jìn)位為1</p><p>  count<="0000000"; --count復(fù)0</p><p>  ELSE </p><p>  count<=count+7; --若count未到59D,則加7,即作"加6校正&

41、quot;</p><p>  END IF; --使前面的16#60#的個(gè)位轉(zhuǎn)變?yōu)?421BCD的容量</p><p><b>  ELSE</b></p><p>  count<="0000000";--count復(fù)0(有此句,則對(duì)無(wú)效狀態(tài)電路可自啟動(dòng))</p><p>  END IF;

42、 --END IF(count<16#60#)</p><p>  ELSIF (count <16#60#) THEN</p><p>  count<=count+1; --若count<16#60#則count加1</p><p>  enhour_1<='0' after 100 ns; --沒(méi)有發(fā)生進(jìn)位&

43、lt;/p><p>  ELSE </p><p>  count<="0000000"; --否則,若count不小于16#60# count復(fù)0</p><p>  END IF; --END IF(count(3 DOWNTO 0)="1001")</p><p>

44、;  END IF; --END IF(reset='0')</p><p>  END process;</p><p><b>  END fun;</b></p><p><b>  Second模塊</b></p><p>  LIBRARY IEEE;</p>

45、<p>  USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;</p><p>  USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;</p><p>  ENTITY second IS</p><p>  PORT( clk,reset,setmin:STD_LOGIC;</p><p>  enmin:O

46、UT STD_LOGIC;</p><p>  daout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));</p><p>  END ENTITY second;</p><p>  ARCHITECTURE fun OF second IS</p><p>  SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTO

47、R(6 DOWNTO 0);</p><p>  SIGNAL enmin_1,enmin_2:STD_LOGIC; --enmin_1為59秒時(shí)的進(jìn)位信號(hào)</p><p>  BEGIN --enmin_2由clk調(diào)制后的手動(dòng)調(diào)分脈沖信號(hào)串</p><p>  daout<=count;</p>&l

48、t;p>  enmin_2<=(setmin and clk); --setmin為手動(dòng)調(diào)分控制信號(hào),高電平有效</p><p>  enmin<=(enmin_1 or enmin_2); --enmin為向分進(jìn)位信號(hào)</p><p>  PROCESS(clk,reset,setmin)</p><p><b>  BEGIN<

49、/b></p><p>  IF(reset='0')THEN count<="0000000"; --若reset為0,則異步清零</p><p>  ELSIF(clk 'event and clk='1')then --否則,若clk上升沿到</p><p>  IF(count(3 d

50、ownto 0)="1001")then --若個(gè)位計(jì)時(shí)恰好到"1001"即9</p><p>  IF(count<16#60#)then --又若count小于16#60#,即60H</p><p>  IF(count="1011001")then --又若已到59D</p><p>

51、  enmin_1<='1';count<="0000000";--則置進(jìn)位為1及count復(fù)0</p><p>  ELSE --未到59D</p><p>  count<=count+7; --則加7,而+7=+1+6,即作"加6校正"</p><p><b>  END

52、IF;</b></p><p>  ELSE --若count不小于16#60#(即count等于或大于16#60#)</p><p>  count<="0000000"; --count復(fù)0</p><p>  END IF; --END IF(count<16#60#)&l

53、t;/p><p>  ELSIF(count<16#60#)then --若個(gè)位計(jì)數(shù)未到"1001"則轉(zhuǎn)此句再判</p><p>  count<=count+1; --若count<16#60#則count加1 </p><p>  enmin_1<='0'after 100 ns; --沒(méi)

54、有發(fā)生進(jìn)位 </p><p>  ELSE --否則,若count不小于16#60#</p><p>  count<="0000000"; --則count復(fù)0</p><p>  END IF; --END IF(count(3 DOWNTO 0)="1001

55、")</p><p>  END IF; --END IF(reset='0')</p><p>  END PROCESS;</p><p><b>  END fun;</b></p><p>  五、系統(tǒng)調(diào)試與性能分析</p><p&

56、gt;<b>  時(shí)基T 產(chǎn)生電路</b></p><p>  數(shù)字鐘以其顯示時(shí)間的直觀性、走時(shí)準(zhǔn)確性作為一種計(jì)時(shí)工具,數(shù)字鐘的基本組成部分離不開(kāi)計(jì)數(shù)器,在控制邏輯電路的控制下完成預(yù)定的各項(xiàng)功能。</p><p>  由晶振產(chǎn)生的頻率非常穩(wěn)定的脈沖,經(jīng)整形、穩(wěn)定電路后,產(chǎn)生一個(gè)頻率為1Hz的、非常穩(wěn)定的計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖。</p><p>  調(diào)時(shí)、

57、調(diào)分信號(hào)的產(chǎn)生</p><p>  由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)過(guò)程可知,正常計(jì)數(shù)時(shí),當(dāng)秒計(jì)數(shù)器(60進(jìn)制)計(jì)數(shù)到59 時(shí),再來(lái)一個(gè)脈沖,則秒計(jì)數(shù)器清零,重新開(kāi)始新一輪的計(jì)數(shù),而進(jìn)位則作為分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖,使分計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)加1。現(xiàn)在我們把電路稍做變動(dòng):把秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖和一個(gè)頻率為2Hz的脈沖信號(hào)同時(shí)接到一個(gè)2選1數(shù)據(jù)選擇器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端,而位選信號(hào)則接一個(gè)脈沖按鍵開(kāi)關(guān),當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)不按下去時(shí)(即為0),則數(shù)據(jù)選擇器將秒計(jì)數(shù)

58、器的進(jìn)位脈沖送到分計(jì)數(shù)器,此時(shí),數(shù)字鐘正常工作;當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)按下去時(shí)(即為1),則數(shù)據(jù)選擇器將另外一個(gè)2Hz 的信號(hào)作為分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖,使其計(jì)數(shù)頻率加快,當(dāng)達(dá)到正確時(shí)間時(shí),松開(kāi)按鍵開(kāi)關(guān),從而達(dá)到調(diào)時(shí)的目的。調(diào)節(jié)小時(shí)的時(shí)間也一樣的實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>  計(jì)數(shù)顯示電路</b></p><p>  由計(jì)數(shù)部分、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器組成,是時(shí)鐘的關(guān)鍵部分。<

59、/p><p>  1、計(jì)數(shù)部分:由兩個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成,其中60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器可用6 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成;24 進(jìn)制的小時(shí)計(jì)數(shù)同樣可用6 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器得到:當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到24 時(shí),“2”和“4”同時(shí)進(jìn)行清零,則可實(shí)現(xiàn)24 進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p>  2、數(shù)據(jù)選擇器:84 輸入14 輸出的多路數(shù)據(jù)選擇器,因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)用到了8個(gè)數(shù)碼管(有兩個(gè)用

60、來(lái)產(chǎn)生隔離符號(hào)‘—’)。</p><p>  3、譯碼器:七段譯碼器。譯碼器必須能譯出‘—’,由實(shí)驗(yàn)二中譯碼器真值表可得:字母F 的8421BCD 碼為“1111”,譯碼后為“1000111”,現(xiàn)在如果只譯出‘—’,即字母F的中間一橫,則譯碼后應(yīng)為“0000001”,這樣,在數(shù)碼管上顯示的就為‘—’。</p><p><b>  仿真</b></p>&

61、lt;p><b>  未曾編輯的仿真波形</b></p><p><b>  仿真波形</b></p><p><b>  實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>  實(shí)驗(yàn)箱使用模式7,鍵8為復(fù)位按鍵,鍵8為1時(shí)正常工作。鍵4設(shè)置小時(shí),鍵7設(shè)置分鐘。</p><p>  下載成

62、功后,按下鍵8,及使六個(gè)LED復(fù)位清零,顯示數(shù)秒的自動(dòng)計(jì)時(shí),可以通過(guò)4鍵設(shè)置小時(shí)數(shù),7鍵設(shè)置分鐘數(shù)。當(dāng)秒數(shù)滿60則進(jìn)一位,分鐘數(shù)滿60進(jìn)一位,當(dāng)顯示為23:59:59時(shí),秒數(shù)在加一則顯示00:00:00,之后從新計(jì)時(shí)。</p><p><b>  六、訓(xùn)練體會(huì)</b></p><p>  通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),我進(jìn)一步加深了對(duì)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的了解。并進(jìn)一步熟練了對(duì)Quar

63、tusII軟件的操作。EDA這門(mén)課程再也不像學(xué)習(xí)理論般那么空洞,有了更加貼切的了解及運(yùn)用。</p><p>  在編寫(xiě)程序的過(guò)程中,遇到了很多問(wèn)題,使我發(fā)現(xiàn)自己以前學(xué)習(xí)上存在的不足。通過(guò)與同學(xué)探討和請(qǐng)教老師,終于把問(wèn)題都解決了,并加深了對(duì)數(shù)字時(shí)鐘原理和設(shè)計(jì)思路的了解。</p><p>  同時(shí)我也掌握了做課程設(shè)計(jì)的一般流程,為以后的電子設(shè)計(jì)這塊積累了一定的經(jīng)驗(yàn),為以后從事相關(guān)工作一些幫助。

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