程序员的网络日志
2022-10-30
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操作系统的引导

# 1. 操作系统的引导

# 实验介绍

此次实验的基本内容是：

  1. 阅读《Linux内核完全注释》的第6章，对计算机和Linux 0.11的引导过程进行初步的了解；
  2. 按照下面的要求改写0.11的引导程序bootsect.s
  3. 有兴趣同学可以做做进入保护模式前的设置程序setup.s。

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在实验报告中回答如下问题：

  1. 有时，继承传统意味着别手蹩脚。x86计算机为了向下兼容，导致启动过程比较复杂。请找出x86计算机启动过程中，被硬件强制，软件必须遵守的两个“多此一举”的步骤（多找几个也无妨），说说它们为什么多此一举，并设计更简洁的替代方案。 评分标准
  2. bootsect显示正确，30%
  3. bootsect正确读入setup，10%
  4. setup获取硬件参数正确，20%
  5. setup正确显示硬件参数，20%
  6. 实验报告，20%

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# 改写bootsect.s

bootsect.s能在屏幕上打印一段提示信息“XXX is booting...”，其中XXX是你给自己的操作系统起的名字，例如LZJos、Sunix等（可以上论坛上秀秀谁的OS名字最帅，也可以显示一个特色logo，以表示自己操作系统的与众不同。）

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# 简单版v1.0

简单的话，我们直接改版原本的bootsect.s 的字符串和字符串个数即可，步骤如下：

cd ~/oslab/linux-0.11/boot
vim bootsect.s

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修改msg1的内容，同时修改cx的值

修改246的字符串为 "POS is runing"
第98行 mov cx,#23

然后保存并退出vim

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重新编译

as86 -0 -a -o bootsect.o bootsect.s
ld86 -0 -s -o bootsect bootsect.o
dd bs=1 if=bootsect of=Image skip=32

我们可以写个shell脚本，这样以后每次编译的时候，就不用写上述命令了，我这里新建一个lab1shell.sh，里面放上面3条命令

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生成内核

cd ~/oslab/linux-0.11
make all

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可以看到Image的时间已经是被更新为你编译的时候的时间

$ ll
-rw-rw-r--  1 peterjxl peterjxl 128161 10月 28 07:54 Image

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运行Bochs

cd ~/oslab
./run

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实验截图

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# 不太简单版v2.0

接下来我们重写bootsect.s ，只完成关键的功能即可

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首先完成屏幕输出功能：屏幕输出的功能主要是用10号中断

! 首先读入光标位置
mov ah, #0x03 
xor bh, bh
int 0x10

输入参数：bh是页号，这里置0

返回参数：CH=光标起始位置，CL=光标结束位置，DH=光标行号(0-based)，DL=光标列号(0-based)

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然后定义字符串：

msg1:	.byte 13, 10
	.ascii "Hello OS World, my name is JXL"
	.byte 13, 10, 13, 10

.org 510

boot_flag: .word 0xAA55

.byte 13,10就是定义个回车和换行，第4行就是两个回车和换行

.org 510 伪指令，表示在它之后的指令从地址510开始存放。遇到.org，编译器会把其后的指令代码放到org伪指令指定的偏移地址。如org指定的地址和之前的指令地址有空洞，则用0填充。

boot_flag: .word 0xAA55：是启动盘具有有效引导扇区的标志。仅供BI0S中的程序加载引导扇区时识别使用。它必须位于引导扇区的最后两个字节中。

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然后是显示字符串

! 显示字符串
mov cx, #36
mov bx, #0x0007
mov ax, #0x7c00
mov es, ax
mov bp, #msg1
mov ax, #0x1301
int 0x10

调用参数：cx是字符串长度，BH=页号，BL=显示属性，，es:bp是字符串的地址，ax是功能号 显示字符串光标跟随移动

‍

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显示完字符串后，我们不再往下执行（例如载入setup.s 和把自己挪到0x9000处），我们这里可以写个简单的死循环

inf_loop:
	jmp inf_loop

‍

‍

完整代码如下：

entry _start
_start:
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#36
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg1
    mov ax,#0x07c0
    mov es,ax
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
inf_loop:
    jmp inf_loop

msg1: 	.byte   13,10
    	.ascii  "Hello OS world, my name is LZJ"
    	.byte   13,10,13,10

.org 510

boot_flag: .word  0xAA55

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‍

我们重新编译和运行，实验结果如下

​

运行后，就不会继续往下有输出了，因为是死循环。

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# 2. 改写setup.s

改写setup.s主要完成如下功能：

  1. bootsect.s能完成setup.s的载入，并跳转到setup.s开始地址执行。而setup.s向屏幕输出一行"Now we are in SETUP"。
  2. setup.s能获取至少一个基本的硬件参数（如内存参数、显卡参数、硬盘参数等），将其存放在内存的特定地址，并输出到屏幕上。
  3. setup.s不再加载Linux内核，保持上述信息显示在屏幕上即可。

‍

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# 加载setup.s版 v1.0

同样是显示字符串，因此可以直接复用 bootsect.s的2.0版本，改改显示的字符串即可。我们可以直接删掉setup.s，然后cp一份bootsect.s

$ cat bootsect.s 
$ cp bootsect.s setup.s

然后有4个地方要修改：

​

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完整代码：

entry _start
_start:
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10

    mov cx,#25
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg2
    mov ax,cs
    mov es,ax
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
inf_loop:
    jmp inf_loop

msg2: 	.byte   13,10
    	.ascii  "Now we are in SETUP"
    	.byte   13,10,13,10

.org 510

boot_flag: .word  0xAA55

‍

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修改bootsect.s 加载setup模块 v3.0，我们可以参考原版的bootsect.s的模块，我们只需要将其copy到我们自己的bootsect.s即可……

load_setup:
! 设置驱动器和磁头(drive 0, head 0): 软盘 0 磁头
    mov dx,#0x0000
! 设置扇区号和磁道(sector 2, track 0): 0 磁头、0 磁道、2 扇区
    mov cx,#0x0002
! 设置读入的内存地址：BOOTSEG+address = 512，偏移512字节
    mov bx,#0x0200
! 设置读入的扇区个数(service 2, nr of sectors)，
! SETUPLEN是读入的扇区个数，Linux 0.11 设置的是 4，
! 我们不需要那么多，我们设置为 2（因此还需要添加变量 SETUPLEN=2）
    mov ax,#0x0200+SETUPLEN
! 应用 0x13 号 BIOS 中断读入 2 个 setup.s扇区
    int 0x13
! 读入成功，跳转到 ok_load_setup: ok - continue
    jnc ok_load_setup
! 软驱、软盘有问题才会执行到这里。我们的镜像文件比它们可靠多了
    mov dx,#0x0000
! 否则复位软驱 reset the diskette
    mov ax,#0x0000
    int 0x13
! 重新循环，再次尝试读取
    jmp load_setup
ok_load_setup:
! 接下来要干什么？当然是跳到 setup 执行。
! 要注意：我们没有将 bootsect 移到 0x9000，因此跳转后的段地址应该是 0x7ce0
! 即我们要设置 SETUPSEG=0x07e0

‍

完整的bootsect.s代码如下：

SETUPLEN=2
SETUPSEG=0x07e0
entry _start
_start:
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10

    mov cx,#36
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg1
    mov ax,#0x07c0
    mov es,ax
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
load_setup:
    mov dx, #0x0000 ; 设置驱动器和磁头(drive 0, head 0): 软盘 0 磁头
    mov cx, #0x0002 ; 设置扇区号和磁道(sector 2, track 0): 0 磁头、0 磁道、2 扇区
    mov bx, #0x0200 ; 设置读入的内存地址：BOOTSEG+address = 512，偏移512字节
    mov ax, #0x0200 + SETUPLEN; 设置读入的扇区个数(service 2, nr of sectors)，SETUPLEN是读入的扇区个数，Linux 0.11 设置的是 4，我们不需要那么多，我们设置为 2（因此还需要添加变量 SETUPLEN=2）
    int 0x13         ; 应用 0x13 号 BIOS 中断读入 2 个 setup.s扇区
    jnc ok_load_setup ; 读入成功，跳转到 ok_load_setup: ok - continue

    mov dx, #0x0000 ; 软驱、软盘有问题才会执行到这里。我们的镜像文件比它们可靠多了
    mov ax, #0x0000 ; 复位软驱 reset the diskette 
    int 0x13    ; 继续尝试加载setup.s模块
    jmp load_setup


; 接下来要干什么？当然是跳到 setup 执行。要注意：我们没有将 bootsect 移到 0x9000，因此跳转后的段地址应该是 0x7ce0, 即我们要设置 SETUPSEG=0x07e0  
ok_load_setup:
    jmpi 0, SETUPSEG


msg1: 	.byte   13,10
    	.ascii  "Hello OS world, my name is JXL"
    	.byte   13,10,13,10

.org 510

boot_flag: .word  0xAA55

‍

然后我们再次编译，setup.s和bootsect.s都要编译和链接，效率较低，类似我只之前讲到的写个shell脚本来编译，这次我们不用自己写，用Makefile里自带的即可

$ cd ~/oslab/linux-0.11/

$ make BootImage 
as86 -0 -a -o boot/bootsect.o boot/bootsect.s
ld86 -0 -s -o boot/bootsect boot/bootsect.o
as86 -0 -a -o boot/setup.o boot/setup.s
ld86 -0 -s -o boot/setup boot/setup.o
tools/build boot/bootsect boot/setup none  > Image
Root device is (3, 1)
Boot sector 512 bytes.
Setup is 512 bytes.
Unable to open 'system'
make: *** [Makefile:54：BootImage] 错误 1

有 Error！这是因为 make 根据 Makefile 的指引执行了 tools/build.c​，它是为生成整个内核的镜像文件而设计的，没考虑我们只需要 bootsect.s​ 和 setup.s​ 的情况。它在向我们要 “系统” 的核心代码。为完成实验，接下来给它打个小补丁。

‍

我们可以简单的看看 linux-0.11/Makefile的内容：

all:	Image

Image: boot/bootsect boot/setup tools/system tools/build
	cp -f tools/system system.tmp
	strip system.tmp
	objcopy -O binary -R .note -R .comment system.tmp tools/kernel
	tools/build boot/bootsect boot/setup tools/kernel $(ROOT_DEV) > Image
	rm system.tmp
	rm tools/kernel -f
	sync

BootImage: boot/bootsect boot/setup tools/build
	tools/build boot/bootsect boot/setup none $(ROOT_DEV) > Image
	sync

​build.c​ 从命令行参数得到 bootsect、setup 和 system 内核的文件名，将三者做简单的整理后一起写入 Image。其中 system 是第三个参数（argv[3]）。当 “make all” 的时候，这个参数传过来的是正确的文件名，build.c​ 会打开它，将内容写入 Image。

而 “make BootImage” 时，传过来的是字符串 "none"。所以，改造 build.c 的思路就是当 argv[3] 是"none"的时候，只写 bootsect 和 setup，忽略所有与 system 有关的工作，或者在该写 system 的位置都写上 “0”。

修改工作主要集中在 build.c​ 的尾部，可以参考下面的方式，将圈起来的部分注释掉（也可以删掉）。

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当按照前一节所讲的编译方法编译成功后再 run，实验结果如下图

$ cd ~/oslab/linux-0.11
$ make BootImage
$ ../run

‍

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# 获取硬件参数版 v2.0

在理论课里我们讲到过，setup.s 将获得硬件参数放在内存的 0x90000 处。

用 ah=#0x03​ 调用 0x10​ 中断可以读出光标的位置，用 ah=#0x88​ 调用 0x15​ 中断可以读出内存的大小。有些硬件参数的获取要稍微复杂一些，如磁盘参数表。在 PC 机中 BIOS 设定的中断向量表中 int 0x41​ 的中断向量位置(4*0x41 = 0x0000:0x0104)存放的并不是中断程序的地址，而是第一个硬盘的基本参数表。第二个硬盘的基本参数表入口地址存于 int 0x46​ 中断向量位置处。每个硬盘参数表有 16 个字节大小。下表给出了硬盘基本参数表的内容：

表 1 磁盘基本参数表

位移 大小 说明
0x00 字 柱面数
0x02 字节 磁头数
... ... ...
0x0E 字节 每磁道扇区数
0x0F 字节 保留

所以获得磁盘参数的方法就是复制数据。

下面是将硬件参数取出来放在内存 0x90000 的关键代码。

mov    ax,#INITSEG
! 设置 ds = 0x9000
mov    ds,ax
mov    ah,#0x03
! 读入光标位置
xor    bh,bh
! 调用 0x10 中断
int    0x10
! 将光标位置写入 0x90000.
mov    [0],dx

! 读入内存大小位置
mov    ah,#0x88
int    0x15
mov    [2],ax

! 从 0x41 处拷贝 16 个字节（磁盘参数表）
mov    ax,#0x0000
mov    ds,ax
lds    si,[4*0x41]
mov    ax,#INITSEG
mov    es,ax
mov    di,#0x0004
mov    cx,#0x10
! 重复16次
rep
movsb

‍

显示获得的参数

现在已经将硬件参数（只包括光标位置、内存大小和硬盘参数，其他硬件参数取出的方法基本相同，此处略去）取出来放在了 0x90000 处，接下来的工作是将这些参数显示在屏幕上。这些参数都是一些无符号整数，所以需要做的主要工作是用汇编程序在屏幕上将这些整数显示出来。

以十六进制方式显示比较简单。这是因为十六进制与二进制有很好的对应关系（每 4 位二进制数和 1 位十六进制数存在一一对应关系），显示时只需将原二进制数每 4 位划成一组，按组求对应的 ASCII 码送显示器即可。ASCII 码与十六进制数字的对应关系为：0x30 ～ 0x39 对应数字 0 ～ 9，0x41 ～ 0x46 对应数字 a ～ f。从数字 9 到 a，其 ASCII 码间隔了 7h，这一点在转换时要特别注意。为使一个十六进制数能按高位到低位依次显示，实际编程中，需对 bx 中的数每次循环左移一组（4 位二进制），然后屏蔽掉当前高 12 位，对当前余下的 4 位（即 1 位十六进制数）求其 ASCII 码，要判断它是 0 ～ 9 还是 a ～ f，是前者则加 0x30 得对应的 ASCII 码，后者则要加 0x37 才行，最后送显示器输出。以上步骤重复 4 次，就可以完成 bx 中数以 4 位十六进制的形式显示出来。

下面是完成显示 16 进制数的汇编语言程序的关键代码，其中用到的 BIOS 中断为 INT 0x10，功能号 0x0E（显示一个字符），即 AH=0x0E，AL=要显示字符的 ASCII 码。

! 以 16 进制方式打印栈顶的16位数
print_hex:
! 4 个十六进制数字
    mov cx,#4
! 将(bp)所指的值放入 dx 中，如果 bp 是指向栈顶的话
    mov dx,(bp)
print_digit:
! 循环以使低 4 比特用上 !! 取 dx 的高 4 比特移到低 4 比特处。
    rol dx,#4
! ah = 请求的功能值，al = 半字节(4 个比特)掩码。
    mov ax,#0xe0f
! 取 dl 的低 4 比特值。
    and al,dl
! 给 al 数字加上十六进制 0x30
    add al,#0x30
    cmp al,#0x3a
! 是一个不大于十的数字
    jl  outp
! 是a～f，要多加 7
    add al,#0x07
outp:
    int 0x10
    loop    print_digit
    ret
! 这里用到了一个 loop 指令;
! 每次执行 loop 指令，cx 减 1，然后判断 cx 是否等于 0。
! 如果不为 0 则转移到 loop 指令后的标号处，实现循环；
! 如果为0顺序执行。
!
! 另外还有一个非常相似的指令：rep 指令，
! 每次执行 rep 指令，cx 减 1，然后判断 cx 是否等于 0。
！ 如果不为 0 则继续执行 rep 指令后的串操作指令，直到 cx 为 0，实现重复。

! 打印回车换行
print_nl:
! CR
    mov ax,#0xe0d
    int 0x10
! LF
    mov al,#0xa
    int 0x10
    ret

‍

只要在适当的位置调用 print_bx 和 print_nl（注意，一定要设置好栈，才能进行函数调用）就能将获得硬件参数打印到屏幕上，完成此次实验的任务。但事情往往并不总是顺利的，前面的两个实验大多数实验者可能一次就编译调试通过了（这里要提醒大家：编写操作系统的代码一定要认真，因为要调试操作系统并不是一件很方便的事）。但在这个实验中会出现运行结果不对的情况（为什么呢？因为我们给的代码并不是 100% 好用的）。所以接下来要复习一下汇编，并阅读《Bochs 使用手册》，学学在 Bochs 中如何调试操作系统代码。

我想经过漫长而痛苦的调试后，大家一定能兴奋地得到下面的运行结果：

​

‍

图 4 用可以打印硬件参数的 setup.s 进行引导的结果Memory Size 是 0x3C00KB，算一算刚好是 15MB（扩展内存），加上 1MB 正好是 16MB，看看 Bochs 配置文件 bochs/bochsrc.bxrc：

!……
megs: 16
!……
ata0-master: type=disk, mode=flat, cylinders=410, heads=16, spt=38
!……

这些都和上面打出的参数吻合，表示此次实验是成功的。

实验楼的环境中参数可能跟上面给出的不一致。大家需要根据自己环境中 bochs/bochsrc.bxrc​ 文件中的内容才能确定具体的输出信息。

下面是提供的参考代码，大家可以根据这个来进行编写代码：

INITSEG  = 0x9000
entry _start
_start:
! Print "NOW we are in SETUP"
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#25
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg2
    mov ax,cs
    mov es,ax
    mov ax,#0x1301
    int 0x10

    mov ax,cs
    mov es,ax
! init ss:sp
    mov ax,#INITSEG
    mov ss,ax
    mov sp,#0xFF00

! Get Params
    mov ax,#INITSEG
    mov ds,ax
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov [0],dx
    mov ah,#0x88
    int 0x15
    mov [2],ax
    mov ax,#0x0000
    mov ds,ax
    lds si,[4*0x41]
    mov ax,#INITSEG
    mov es,ax
    mov di,#0x0004
    mov cx,#0x10
    rep
    movsb

! Be Ready to Print
    mov ax,cs
    mov es,ax
    mov ax,#INITSEG
    mov ds,ax

! Cursor Position
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#18
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg_cursor
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
    mov dx,[0]
    call    print_hex
! Memory Size
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#14
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg_memory
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
    mov dx,[2]
    call    print_hex
! Add KB
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#2
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg_kb
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
! Cyles
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#7
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg_cyles
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
    mov dx,[4]
    call    print_hex
! Heads
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#8
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg_heads
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
    mov dx,[6]
    call    print_hex
! Secotrs
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#10
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg_sectors
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
    mov dx,[12]
    call    print_hex

inf_loop:
    jmp inf_loop

print_hex:
    mov    cx,#4
print_digit:
    rol    dx,#4
    mov    ax,#0xe0f
    and    al,dl
    add    al,#0x30
    cmp    al,#0x3a
    jl     outp
    add    al,#0x07
outp:
    int    0x10
    loop   print_digit
    ret
print_nl:
    mov    ax,#0xe0d     ! CR
    int    0x10
    mov    al,#0xa     ! LF
    int    0x10
    ret

msg2:
    .byte 13,10
    .ascii "NOW we are in SETUP"
    .byte 13,10,13,10
msg_cursor:
    .byte 13,10
    .ascii "Cursor position:"
msg_memory:
    .byte 13,10
    .ascii "Memory Size:"
msg_cyles:
    .byte 13,10
    .ascii "Cyls:"
msg_heads:
    .byte 13,10
    .ascii "Heads:"
msg_sectors:
    .byte 13,10
    .ascii "Sectors:"
msg_kb:
    .ascii "KB"

.org 510
boot_flag:
    .word 0xAA55

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# 扩展

你可以显示不同的字符串，例如修改显示的字符串的颜色等等，或者可以实现载入system模块等等，完全可以自己有想做的功能，就做着玩~

可以参考hoverwinter/HIT-OSLab: S - 哈工大《操作系统》实验 (opens new window)，这里就实现了system模块的载入，并且实验手册也写的很棒

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# 附录

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# int 0x10显示服务

AH 功能 调用参数 返回参数
0x03 读光标位置和大小 BH=页号(0-based) CH=光标起始位置，CL=光标结束位置，DH=光标行号(0-based)，DL=光标列号(0-based)
0x0e 显示字符(光标前移) AL=字符 BL=前景色 None
0x0f 获取当前显示模式 None AL=当前的显示模式，AH=屏幕宽度，以字符列，BH=当前页号(0-based)
0x1300 显示字符串光标留在起始位置 ES:BP=字符串地址，CX=字符串长度，BH=页号，BL=显示属性，DH,DL=显示字符串的起始行号和列号 None
0x1301 显示字符串光标跟随移动 ES:BP=字符串地址，CX=字符串长度，BH=页号，BL=显示属性，DH,DL=显示字符串的起始行号和列号 None
上次更新: 2022/10/29 11:17:58
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