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1、2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1,第5章 指令級并行硬件方法（P111）（指令級，多發(fā)射或亂序執(zhí)行，動態(tài)調(diào)度）,本章學(xué)習(xí)由硬件（即流水線控制器）實現(xiàn)的指令級并行方法，主要內(nèi)容是流水線的多指令控制技術(shù)，目的是讓處理機(jī)中同時流動更多的指令，減少各種原因造成的停頓，以縮短程序執(zhí)行時間。 5.1 指令級并行的概念（重點） 5.2 相關(guān)與指令級并行 5.3 指令的動態(tài)調(diào)度 5.4 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)（重點） 5.5 多指令流出技術(shù)（重點）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2,從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為： 指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行。 指令級并行：并行執(zhí)行兩條或
2、兩條以上的指令。 線程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線程。通常是以一個進(jìn)程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位。 任務(wù)級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務(wù)（程序段）。以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。 作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。,并行性等級的劃分（P23，1.5.1節(jié)）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),3,指令級并行的英文縮寫是ILP （Instruction-Level Parallelism） 開發(fā)ILP的途徑有兩種： 資源重復(fù)，重復(fù)設(shè)置多個處理部件，讓它們同時執(zhí)行相鄰或相近的多條指令； 采用流水線技術(shù)，使指令重疊并行執(zhí)行。 (1)狹義指令級并行 超標(biāo)量
3、SuperScalar （設(shè)備重復(fù)） 超長指令字Very Long Instruction Word（簡稱VLIW） (2)廣義指令級并行 流水線Pipeline （設(shè)備細(xì)分） 超級流水線Super Pipeline (3)線程級并行 超線程Hyper-Threading（簡稱HT） (4)任務(wù)線程 多核處理機(jī)Multicore,5.1 指令級并行的概念,,,,,,,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),4,靜態(tài)調(diào)度（軟件方法）：在程序執(zhí)行前，在編譯過程中對目標(biāo)指令序列進(jìn)行優(yōu)化，避免將來由于相關(guān)和沖突造成的停頓。主要手段是將沖突指令錯開啟動時間、變
4、量換名等。 動態(tài)調(diào)度（硬件方法）：在程序執(zhí)行中，由專門硬件預(yù)測將要發(fā)生的沖突、控制指令在流水線中的流動，避免停頓。 2. 流水線處理機(jī)的實際CPI = 理想流水線的CPI加上各類停頓的時鐘周期數(shù)： CPI流水線 = CPI理想 + 停頓結(jié)構(gòu)沖突 + 停頓數(shù)據(jù)沖突 + 停頓控制沖突 CPI理想是衡量流水線最高性能的一個指標(biāo)。本式表明降低實際CPI有許多途徑。 換一個角度，有時從CPI的倒數(shù)看問題會有新思路，IPC（Instructions Per Cycle）是每個時鐘周期完成的指令條數(shù)。 在不能縮短單條指令周期數(shù)的情況下，在每個時鐘周期里啟動更多的指令（提高IPC），同樣可以提高處理
5、機(jī)的性能。這就是ILP的基本思想。,1. 開發(fā)ILP的方法分類,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),5,基本程序塊：一串連續(xù)的代碼除了入口和出口以外，沒有其他的分支指令和轉(zhuǎn)入點 。 程序平均每47條指令就會有一個分支。 4. 循環(huán)級并行：使一個循環(huán)中的不同循環(huán)體并行執(zhí)行。 開發(fā)循環(huán)的不同疊代之間存在的并行性（最常見、最基本思路） 這是指令級并行研究的重點之一 5. 最基本的開發(fā)循環(huán)級并行的技術(shù) 循環(huán)展開（loop unrolling）技術(shù) 采用向量指令和向量數(shù)據(jù)表示,3. 基本程序塊,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),6,多發(fā)射技術(shù)（Multiple Issue）：同時啟動多條指令。 為什么
6、要多發(fā)射？在傳統(tǒng)流水線上，要減少CPU時間，可以減少CPI或者Cycle。CPI的下限是1，減少Cycle碰到了“4G墻”（指Intel公司開發(fā)4GHz P4計劃失敗，因為功耗正比于主頻3次方），工程師們無奈又回頭來打CPI的主意，想使CPI低于1，即在一個時鐘周期內(nèi)流出多條指令。 狹義的多指令流出技術(shù)（同時啟動）包括超標(biāo)量(Superscalar)和超長指令字(VLIW)，廣義的多指令流出技術(shù)（分時啟動）還包括超流水線(Superpipeline)等。 超標(biāo)量采用多條流水線的多發(fā)射技術(shù)，每個時鐘周期流出的指令數(shù)不定，既可以使用編譯器靜態(tài)調(diào)度，也可以使用硬件動態(tài)調(diào)度。 由于管理亂序流動中指令相
7、關(guān)問題的硬件復(fù)雜度非常大，所以目前超標(biāo)量CPU的ILP沒有超過8的。 采用單發(fā)射技術(shù)的傳統(tǒng)處理機(jī)又被稱為“標(biāo)量處理機(jī)”。,5.5 多指令流出技術(shù)（又稱多發(fā)射技術(shù)，P141）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),7,超長指令字CPU采用長指令單發(fā)射，多個執(zhí)行部件同時執(zhí)行小指令的方法，每個時鐘周期流出的小指令數(shù)是限定的。在編譯過程中，由編譯程序來判斷實際指令之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，把抽取ILP的復(fù)雜工作轉(zhuǎn)移給編譯器，而執(zhí)行指令的硬件則大大簡化，也比較規(guī)則，有利于低功耗設(shè)計。 超流水線則是將每個功能部件進(jìn)一步流水化，使得一個功能部件在一拍中可以分時處理多條指令。,5.5 多指令流出技術(shù)（續(xù)）,
8、2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),8,5.5.0 超標(biāo)量技術(shù)：一個時鐘節(jié)拍內(nèi)同時發(fā)射多條指令（P142第1段）。,時空圖,“超標(biāo)量”的前身是“多操作部件技術(shù)”。它是通過“設(shè)備并聯(lián)”技術(shù)擴(kuò)充的單流水線，被擴(kuò)充的部件通常是運算部件、訪存部件等“瓶頸”部件。,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),9,5.5.3 超長指令字技術(shù)VLIW（P147，P163）,把多條無相關(guān)關(guān)系的常規(guī)指令打包在一個超長的指令字中，讓它們同時被處理，分別控制多個功能部件并行工作的技術(shù)。 每個操作放在一個槽（slot）內(nèi)。 這種技術(shù)的實質(zhì)，是把超標(biāo)量技術(shù)中的相關(guān)性識別任務(wù)，由CPU硬件轉(zhuǎn)移給程序員或編譯程序去實現(xiàn)。,2014
9、.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),10,5.5.5 超流水技術(shù)：一個時鐘節(jié)拍內(nèi)分時發(fā)射多條指令（P149）,時空圖,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),11,附：超線程技術(shù)HT,通俗的理解就是將一顆具有超線程功能的“實體”處理器虛擬成兩個“邏輯”處理器，讓多個應(yīng)用程序或單一應(yīng)用程序的多個線程，能夠同時在同一顆處理器上執(zhí)行。 超線程運行模式下，CPU中核心資源的利用率可提高3040%，也就是說在同樣時間里可多執(zhí)行3040%的指令，其性能可以與含雙處理器的系統(tǒng)相媲美，但具有低得多的價格。 為了同時執(zhí)行多個線程，使用超線程技術(shù)的新一代P4 HT處理器需要增加一個邏輯處理器單元。因此面積比以往的P4增大了5
10、%。而其余部分如ALU（整數(shù)運算單元）、FPU（浮點運算單元）、L2 Cache（二級緩存）則保持不變，這些部分是被分享的。 雖然采用超線程技術(shù)能同時執(zhí)行兩個線程，但是當(dāng)兩個線程爭奪同一資源時，其中一個要被阻塞，這時性能就不如兩個真正的CPU。 含有超線程技術(shù)的CPU需要主板（包括芯片組和BIOS）、軟件（包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，如XP）支持，才能比較理想地發(fā)揮該項技術(shù)的優(yōu)勢。 超線程是一種過渡技術(shù)，不久就被多核心技術(shù)取代。,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),12,對于多指令流出的處理機(jī)，分支等待造成的性能下降比單流出機(jī)器更為顯著每停一拍要減少幾條指令，所以需要采取更復(fù)雜的解決辦法。 第
11、3章介紹了避免在分支（包括無條件跳轉(zhuǎn)）指令后面空等待的幾種方法。 其中“在ID周期完成判斷并計算目標(biāo)地址”的方法把分支等待周期由3個減少到1個，但是再要消除這1個等待周期就很難了。有的處理機(jī)做這兩件事需要的周期數(shù)還不止1個。 從上文調(diào)換不相關(guān)指令到“延遲槽”執(zhí)行的辦法固然可以避免這段時間的空等待，但是找不到不相關(guān)指令就不能用。 為了利用這種等待周期，還有一個辦法是“猜測”，不等“判跳”完成就開始取下條指令，取完之后“判跳”結(jié)果也出來了，如果證明“猜對”就繼續(xù)執(zhí)行這條指令，“猜錯”就報廢它。 為了容易實現(xiàn)，一個CPU在設(shè)計時就把“猜”的方向設(shè)定了，即總是猜分支失敗（或者總是猜分支成功），這種猜法
12、的“猜對率”沒有保障。,5.4 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)（P133）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),13,現(xiàn)在討論的“動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)”就是對每條分支指令完成之后的真實方向進(jìn)行記錄，下次再回到這條指令時就往上次的同一方向猜，猜對的可能性就增大了。萬一有的指令是一會兒總是分支失敗，一會兒又總是分支成功（動態(tài)變化），那也可以在猜錯后及時修改記錄，以后就按新的方向猜。 “分支開銷”指“猜對”、“猜錯”兩種情況下流水線分別等待的時間（周期數(shù)）。顯然，“猜錯”時的開銷更大，否則“猜”就沒有意義了。,5.4 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)（續(xù)）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),14,分支歷史表的英文縮寫是BHT（Br
13、anch History Table） (1) 1位BHT方法 表中給最近遇到的每條分支指令分配1個bit的記錄單元，0表示上次分支不成功，1表示上次分支成功。 BHT表可以設(shè)在指令Cache中，也可以用一個專門的RAM來實現(xiàn)。查表方法是相聯(lián)比較。表的容量決定了能為多少個“最近用到”的分支指令記錄歷史信息。裝滿之后可以按“先進(jìn)先出”或“最近最少使用”策略進(jìn)行替換。,5.4.1 分支歷史表 BHT 方法（P134）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),15,(2) 2位BHT方法 有的分支指令會有“臨時性換向”，比如一段循環(huán)程序末尾的“返回指令”可能在n-1次分支成功后跟1次分支失敗，但是下一次
14、再執(zhí)行這段循環(huán)程序，“返回指令”又應(yīng)該按分支成功猜測。為了避免“1位BHT方法”被這種偶然變化所“欺騙”，可以使用2bit信息記錄，只有連續(xù)2次“猜錯”才會“改口”猜另一方向。具體算法見下圖。,5.4.1 分支歷史表 BHT 方法（續(xù)）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),16,分支目標(biāo)緩沖器的英文縮寫是BTB（Branch-Target Buffer），也稱分支目標(biāo)Cache（ranch-Target Cache）。 上面介紹的BHT表只保存了分支指令地址和成功轉(zhuǎn)移的方向，沒有保存成功轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址，即只猜“是否轉(zhuǎn)移”，不猜“轉(zhuǎn)到哪里”，在轉(zhuǎn)移成功情況下即使“猜對了”也需要另花時間計算目標(biāo)地
15、址，這對于判斷分支方向和計算目標(biāo)地址同時進(jìn)行的機(jī)器來說起不到節(jié)省時間的作用。 分支目標(biāo)緩沖器BTB表里面增加了成功轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址，如果“猜”本次轉(zhuǎn)移成功就可以立即用它取指，不等待目標(biāo)地址的計算結(jié)果，而“猜”本次分支失敗則不需要使用目標(biāo)地址。所以BTB表只保存成功的分支指令地址及其目標(biāo)地址，不保存失敗的分支指令。遇到分支指令要“猜”時，采用并行比較來搜索，搜到匹配項猜“分支成功” ，沒有匹配項猜“分支失敗” ，而后者不需要BTB提供目標(biāo)地址。,5.4.2 分支目標(biāo)緩沖器BTB方法,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),17,BTB表的結(jié)構(gòu)：,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)1）,2014.2.17,計
16、算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),18,BTB預(yù)測方法邏輯分支圖：,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)2）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),19,BTB預(yù)測機(jī)構(gòu)加入到流水線中：,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)3）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),20,現(xiàn)在分析采用BTB預(yù)測方法的加速效果，以第3章末尾（P90）的改進(jìn)后的MIPS流水線為例。 在采用BTB預(yù)測方法之前，該流水線在ID周期進(jìn)行分支判斷與計算目標(biāo)地址，到EX周期才能取下一條指令，所以每條轉(zhuǎn)移指令之后有1個周期的固定延遲。 采用BTB預(yù)測方法之后，不同情況下的延遲周期數(shù)是不同的，下面分4種情形討論。,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)4）,2014.2.17,
17、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),21,情形1：BTB命中，指令K轉(zhuǎn)移 延遲=0,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)5）,IF,ID,EX,Mem,WB,IF,ID,EX,Mem,WB,指令K,指令L,1.指令K取指，PC+4； 2.使用指令K的地址，檢索BTB表，命中，表明指令K上次轉(zhuǎn)移成功，猜此次仍轉(zhuǎn)移，PC 指令L的地址,1.指令K譯碼、判斷轉(zhuǎn)移、計算轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址； 2.判斷結(jié)果是：轉(zhuǎn)移。所以“試取指令L”有效； 3.不改BTB表，猜指令K下次仍轉(zhuǎn)移到指令L,使用PC值，試取指令L（有效）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),22,情形2：BTB命中，指令K不轉(zhuǎn)移 延遲=2,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)6）,I
18、F,ID,EX,Mem,WB,ID,EX,Mem,WB,指令K,指令L,1.指令K取指，PC+4； 2.使用指令K的地址，檢索BTB表，命中，表明指令K上次轉(zhuǎn)移成功，猜此次仍轉(zhuǎn)移，PC 指令L的地址,1.指令K譯碼、判斷轉(zhuǎn)移、計算轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址； 2.判斷結(jié)果是：不轉(zhuǎn)移。所以“試取指令L”無效，須報廢； 3.PC指令L的地址+4,使用PC值，試取指令L（無效）,Str,IF,指令K+1,使用新PC值，改取指令K+1,刪除BTB表該項，猜指令K下次不轉(zhuǎn)移,IF,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),23,情形3：BTB不命中，指令K轉(zhuǎn)移 延遲=2,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)7）,IF,ID,EX,
19、Mem,WB,ID,EX,Mem,WB,指令K,指令K+1,1.指令K取指，PC+4； 2.使用指令K的地址，檢索BTB表，不命中，表明指令K上次沒有轉(zhuǎn)移，猜此次仍不轉(zhuǎn)移，不改PC,1.指令K譯碼、判斷轉(zhuǎn)移、計算轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址； 2.判斷結(jié)果是：轉(zhuǎn)移。所以“試取指令K+1”無效，須報廢； 3.PC指令L的地址,使用PC值，試取指令K+1（無效）,Str,IF,指令L,使用新PC值，改取指令L,BTB表增添一項，猜指令K下次轉(zhuǎn)移到指令L,IF,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),24,情形4：BTB不命中，指令K不轉(zhuǎn)移 延遲=0,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)8）,IF,ID,EX,Mem,WB,I
20、F,ID,EX,Mem,WB,指令K,指令K+1,1.指令K取指，PC+4； 2.使用指令K的地址，檢索BTB表，不命中，表明指令K上次沒有轉(zhuǎn)移，猜此次仍不轉(zhuǎn)移，不改PC,1.指令K譯碼、判斷轉(zhuǎn)移、計算轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址； 2.判斷結(jié)果是：不轉(zhuǎn)移。所以“試取指令K+1”有效； 3.不改BTB表，猜指令K下次仍不轉(zhuǎn)移,使用PC值，試取指令K+1（有效）,注意：該情形包括當(dāng)前指令是轉(zhuǎn)移指令但不成功、當(dāng)前指令不是轉(zhuǎn)移指令兩種情況。,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),25,小結(jié)： 可見，與不用BTB的時序相比，情形1、4減少了延遲，而情形2、3增加了延遲。 我們可以這樣計算： 平均轉(zhuǎn)移延遲=情形1概率0
21、+情形2概率2+情形3概率2+情形1概率0 如果平均值小于1，則新方法加快了轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行速度，反之則減慢了速度。,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)9）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),26,采用BTB預(yù)測方法后的CPI計算公式： 平均CPI = 理想CPI + 平均延遲周期數(shù) 由于平均CPI針對所有指令，所以還要把非轉(zhuǎn)移指令也考慮進(jìn)去，如下圖,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)10）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),27,例5.6 設(shè)程序中轉(zhuǎn)移指令占20%，50%可以在BTB命中，命中的指令本次轉(zhuǎn)移概率為90%，未命中的指令本次轉(zhuǎn)移概率為60%，判斷轉(zhuǎn)移并計算地址的開銷是2，修改BTB的開銷是1
22、，非轉(zhuǎn)移指令的CPI=1。求平均CPI。 解：,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)11）,平均CPI = 1 + 20% 50%(90%0 + 10%3) + + 50%(60%3 + 40%0) = 1.21,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),28,如果不采用BTB預(yù)測方法，每條轉(zhuǎn)移指令無論是否成功，都有2個周期的固定延遲。 平均CPI = 1 + 20%2 = 1.40 可見，采用BTB預(yù)測方法有可能縮短平均CPI。,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)12）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),29,5.8題假設(shè)有一條長流水線，僅僅對條件轉(zhuǎn)移指令使用分支目標(biāo)緩沖。假設(shè)分支預(yù)測錯誤的開銷為4個時鐘周期
23、，緩沖不命中的開銷為3個時鐘周期。假設(shè)：命中率為90%，預(yù)測精度為90%，分支頻率為15%，沒有分支的基本CPI為1。 (1)求程序執(zhí)行的CPI。 (2)相對于采用固定的2個時鐘周期延遲的分支處理，采用哪種方法能使程序執(zhí)行速度更快？ 分析：,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)13）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),30,5.9題假設(shè)分支目標(biāo)緩沖的命中率為90%，程序中無條件轉(zhuǎn)移指令的比例為5%，沒有無條件轉(zhuǎn)移指令的程序CPI值為1。假設(shè)分支目標(biāo)緩沖中包含分支目標(biāo)指令，允許無條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)入分支目標(biāo)緩沖，則程序的CPI值為多少？假設(shè)原來的CPI=1.1。 分析：本題只考慮無條件轉(zhuǎn)移指令，所以取指后
24、100%會轉(zhuǎn)移，BTB命中開銷=0拍，所缺的條件是不命中開銷。再看，“原來的CPI”指使用BTB方法前的平均CPI，是1.1，理想CPI=1，由此可以解出原來的轉(zhuǎn)移開銷。使用BTB方法后的不命中開銷比它多1拍。,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)14）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),31,思考題： 5.8題：BTB“命中率為90%”意味著什么？實際上有沒有可能達(dá)到？ 參考觀點：BTB表中存放最近一次執(zhí)行中轉(zhuǎn)移成功的轉(zhuǎn)移指令地址，它的命中率指程序中包含的全部轉(zhuǎn)移指令有百分之多少已經(jīng)存入。顯然，“條件轉(zhuǎn)移指令命中率為90%”的情形只能是90%以上條件轉(zhuǎn)移指令被執(zhí)行過后才可能出現(xiàn)，即程序運行的后期。我們要計算程序運行全程的平均CPI，應(yīng)該引用BTB的平均命中率，通常應(yīng)該在50%左右。 一些特殊程序中，BTB平均命中率也可能達(dá)到90%，比如高次數(shù)循環(huán)。 該題的設(shè)計者為了證明“BTB方法能使程序執(zhí)行速度更快”，設(shè)定了特殊情況下的已知條件。 5.9題：根據(jù)BTB方法原理，BTB不命中開銷 = 指令本身的轉(zhuǎn)移開銷 + BTB表修改開銷（1拍），但是習(xí)題指導(dǎo)書中的題解沒有加這1拍。 參考觀點：該題解應(yīng)該修正。,分支目標(biāo)緩沖器BTB方法（續(xù)15）,2014.2.17,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),32,各次作業(yè)應(yīng)交的內(nèi)容,作業(yè)6（第6次課）,5.11，5.8，5.9,
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