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실시간 시계

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목차

1. 개요

실시간 시계(RTC)는 컴퓨터 시스템에서 시간을 제공하는 모듈로, CPU 개입 없이 독립적으로 시간을 유지하여 저전력 소비, 시간 민감 작업의 부담 감소, 절전 모드 유지 등의 이점을 제공한다. RTC는 디지털 카운터 회로, 결정 진동자, 배터리, NVRAM 등으로 구성되며, PC의 경우 메인보드에 배터리와 수정 발진자를 부착하는 방식이 일반적이다. RTC는 크리스털 발진기를 사용하거나 전력선 주파수를 사용하기도 하며, 엡손, 인텔, 맥심 등 여러 회사에서 제조한다. PC/AT에 도입된 이후 사우스브리지 칩에 통합되거나 마이크로컨트롤러에 내장되기도 한다. RTC는 시간대 처리를 하지 않기 때문에 운영체제 설치 시 시간대 설정을 해야 하며, NTP와 같은 외부 시간 원과 동기화하여 시간 정보를 관리할 수 있다.

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실시간 시계
기본 정보
개요
종류컴퓨터 회로
기능정확한 시간 유지
사용컴퓨터
임베디드 시스템
휴대 전화
기술적 세부 사항
구동 방식수정 발진기
배터리 백업
정확도높음
(온도, 전압 변화에 영향 받음)
시간 측정 단위초
분
시
날짜
년
사용 예시
컴퓨터BIOS 시간 유지
임베디드 시스템실시간 데이터 기록
시간 기반 제어
기타휴대 전화
내비게이션 장치
데이터 로거
역사
초기 형태수동식 시계
전자식 발전집적 회로 기반 개발
저전력 설계
주요 제조사댈러스 세미컨덕터
기타
관련 용어실시간 컴퓨팅

2. 용어

'실시간 시계'라는 용어는 디지털 전자 장치를 제어하는 하드웨어 클럭과 혼동을 피하기 위해 사용된다. 하드웨어 클럭은 사람이 사용하는 시간 단위로 시간을 측정하지 않는 신호일 뿐이다. RTC는 실시간 컴퓨팅과 혼동해서는 안 된다. 두 용어는 세 글자 약어를 공유하지만, 실제로는 시간과 직접적인 관련이 없다.

3. 목적

실시간 시계는 컴퓨터 시스템에서 시간을 제공하기 위한 모듈이다. CPU가 시간 측정에 관여하지 않고도 시간을 유지하려면 별도로 계속 동작해야 한다. CPU가 시간 측정에 관여하면 그만큼 다른 작업을 처리할 수 없기 때문이다. RTC가 없다면 타이머를 사용하여 시간을 측정하는 것이 가장 현실적인 방법이다. 하지만 타이머는 기본적인 디지털 카운터 회로이기 때문에 복잡한 시간 체계를 다루거나 전원이 꺼지는 상황에 대응하기 어렵다. 따라서 컴퓨터의 타이머 모듈과는 별도로 RTC 모듈을 구성하여 동작한다.

RTC 없이도 시간을 유지할 수 있지만,[34] RTC를 사용하면 다음과 같은 이점이 있다.[1]


  • 낮은 전력 소비[35],[2] (대체 전원으로 작동할 때 중요함)
  • 시간에 민감한 작업을 위해 메인 시스템의 자원을 확보
  • 다른 방법보다 더 정확한 경우가 있음 (개인용 컴퓨터의 RTC가 가끔은 덜 정확해도)
  • 시스템 멈춤, 절전, 재부팅, 또는 충분한 백업 전원이 공급될 경우 시스템 종료 및 하드웨어 재조립과 같은 시스템 중단 상태에서도 현재 시간을 안정적으로 유지하고 제공하며, 다시 시간을 설정할 필요가 없다.


GPS 수신기는 RTC의 현재 시간과 마지막으로 유효한 신호를 수신한 시간을 비교하여 시작 시간을 단축할 수 있다.[3] 몇 시간 미만이라면 이전 궤도 자료를 계속 사용할 수 있다.

일부 마더보드는 비용 절감이나 하드웨어 고장 가능성 감소를 위해 RTC를 생략하기도 한다.

4. 구성 요소

실시간 시계(RTC)는 시간을 계산하는 디지털 회로 모듈이다. 디지털 회로가 계속 작동하려면 다음과 같은 구성 요소가 필요하다.


  • 시간을 카운터하는 디지털 카운터 회로
  • 결정 진동자 (마이크로프로세서와 별도로 32.768kHz를 주로 사용)[36]
  • 컴퓨터 전원이 꺼져도 배터리를 사용하여 카운터 회로에 전원을 계속 공급하여 시간 카운터 동작을 유지하는 장치


경우에 따라 NVRAM 기능을 갖도록 배터리로 유지되는 RAM을 추가하기도 한다. 일반적인 PC는 이 공간에 보드의 설정 정보를 기록한다.

실시간 시계를 구성하는 디지털 카운터 회로, 배터리, 결정 진동자는 하나의 시스템이기 때문에 만들어지는 방식이 다양하다.

  • 하나의 칩 형태로 모듈화 한 경우: DS12C887[37]
  • 3개의 구성 요소를 PCB 상에서 조립되는 경우: DS1307[38]


PC의 경우 초기에 DS12C887 방식을 사용한 경우도 있고, 최근에는 RTC 디지털 회로가 다른 칩과 융합하면서 PCB 상에 배터리와 수정 발진자를 붙이는 방식이 일반적이다.[39][40]

5. 전원

RTC는 전력 소비를 줄이기 위해[35] 보통 대체 전원을 사용한다. 예전에는 주로 리튬 전지를 사용했지만, 최근 시스템에서는 슈퍼커패시터를 사용하는 경우가 많다.[41] 슈퍼커패시터는 재충전이 가능하고 납땜도 할 수 있기 때문이다.[4] 대체 전원은 배터리 백업 램에 전력을 공급하는 데에도 사용될 수 있다.[6]

실시간 시계 IC 내부의 리튬 배터리


RTC는 주 전원이 꺼져도 시간을 유지하기 위해 버튼형 전지나 슈퍼커패시터 같은 배터리를 사용한다(배터리 백업).[5] 하지만, 무정전 전원 장치를 사용하는 시스템에서는 RTC를 시스템 본체의 전원으로 구동하기도 한다. 또한, 일차 전지를 백업으로 사용하는 경우에는 상용 전원이 차단될 때만 배터리로 작동하도록 설계하여 소모를 줄이기도 한다.

6. 타이밍

실시간 시계(RTC)는 시스템이 멈추거나 절전 모드에 있거나, 재부팅되거나, 심지어 시스템이 종료된 후 하드웨어를 재조립하는 경우에도 현재 시간을 안정적으로 유지한다.[1] 이는 낮은 전력 소비로 가능하며, 시간에 민감한 작업을 위해 메인 시스템의 자원을 확보할 수 있게 해준다.[2] 또한, RTC는 다른 방법보다 더 정확한 시간을 제공하는 경우가 많다.

GPS 수신기는 RTC의 현재 시간과 마지막으로 유효한 신호를 수신한 시간을 비교하여 시작 시간을 단축할 수 있다.[3]

대부분의 RTC는 크리스털 발진기를 사용하며,[7][8] 일반적으로 32.768kHz의 주파수를 가진다.[7] 이 주파수는 석영 시계에 사용되는 것과 같으며, 이진 카운터 회로에 사용하기 편리하다. 낮은 주파수는 전력 소비를 줄이는 데 도움이 되며, 음차 형태의 석영은 온도에 따른 크기 변화가 적어 주파수 변화를 최소화한다.

일부 RTC는 실리콘 칩에 미세기계 공진기를 사용하기도 한다. 이는 RTC의 크기와 비용을 줄이지만, 온도에 더 민감하다. 따라서 이러한 RTC는 온도 변화를 보상하기 위해 전자 온도계와 전자 논리를 사용한다.[10]

일반적인 크리스털 RTC의 정확도는 ±100~±20ppm(1일당 8.6~1.7초)이지만, 온도 보상 RTC IC는 5ppm 미만의 정확도를 제공한다.[11][12] 이는 천체 항해에 충분한 수준이다. 2011년에는 칩 스케일 원자 시계가 출시되었는데, 더 비싸고 전력 소비가 많지만(120mW 대 <1 μW) 훨씬 더 높은 정확도(50ppt 이내)를 제공한다.[13]

임베디드 시스템에서는 RTC가 없는 경우, 하드웨어 타이머를 사용하여 RTC를 구현하기도 한다. 이 타이머는 절대 시간 정확도는 낮지만 반복성이 매우 높다. 소프트웨어는 주기적인 인터럽트를 생성하고 타이밍 체인을 조정하는 계산을 통해 정확한 RTC를 구현할 수 있다.

일부 컴퓨터 설계에서는 교류 전원의 주파수를 사용하여 정확하고 저렴한 RTC를 구현하기도 했다. 이러한 시계는 교류 전원을 사용하는 환경에서 조정 없이 완벽한 시간을 유지할 수 있다.

7. 제조사 및 적용 예

PC에 장착된 DS12887


RTC는 엡손(Epson), 인터실(Intersil), IDT(Integrated Device Technology)(Integrated Device Technology), 맥심(Maxim Integrated Products)(Maxim Integrated Products), NXP 반도체(NXP Semiconductors), 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments), ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics) 등 여러 반도체 제조사에서 만들고 있다.

RTC 기능을 갖춘 IC는 많은 컴퓨터 시스템에 사용되며, 현재의 개인용 컴퓨터와 정보 가전에는 거의 필수적으로 내장되어 있다. 운영 체제에 따라 시스템 시각을 '''하드웨어 클록'''이라고 부르는 경우도 있다. 또한, 임베디드 시스템 분야에서는 RTC를 '''캘린더 클록'''이라고 부르기도 한다.

RTC는 시스템 본체의 전원과 독립적인 버튼형 전지나 슈퍼커패시터 등으로 부터 전력을 얻어 시스템이 종료되어 있는 동안에도 시계 기능을 유지하도록 설계되는 경우가 많다(배터리 백업). 무정전 전원 장치 등에 의해 정전이 보장되는 경우에는 시스템 본체와 같은 전원으로 RTC를 구동하는 설계가 이루어지기도 한다. 또한, 일차 배터리를 백업으로 사용하는 경우에는 소모를 줄이기 위해 상용 전원이 차단되었을 때만 배터리 구동으로 전환하는 설계도 이루어진다.

RTC는 컴퓨터의 CPU나 다른 주변 장치(CPU 클록이나 시스템 클록)와는 별도의 클록 제너레이터(일반적으로 32768Hz=2^15Hz 등, 분주기에 의해 1Hz를 만들기 쉬운 주파수의 것으로, 주로 시계용 등으로 생산·유통되는 것)로 동작한다.

일반적인 RTC는 "년", "월", "일", "시", "분", "초"를 각각 BCD로 보유하고 1초마다 날짜와 시간을 갱신하며, 기종에 따라 "요일"도 제공한다. PC용 RTC는 8비트 폭의 데이터 버스를 가지며, 이것을 CPU의 데이터 버스에 연결하여 I/O 포트로 취급하지만, SPI나 I2C 등의 직렬 인터페이스로 연결하는 것도 있다.

7. 1. 개인용 컴퓨터에서의 활용

1982년 IBM PC/AT 개인용 컴퓨터에서 모토로라 인코퍼레이티드의 MC146818를 사용하였다. 이것은 시간 카운터와 RAM이 장착되어 있고, PCB에 배터리와 수정 진동자를 연결하여 사용하였다.[42] 이후에 Dallas Semiconductor는 구성요소를 하나의 칩 형태로 만들어 PC에 사용하였다. 더 최근의 PC 시스템은 RTC를 사우스브릿지 칩(southbridge)에 병합하여 사용하고 있고 배터리를 메인보드에 장착한다.[42]

오래된 PC의 달라스 반도체(Dallas Semiconductor)(Dallas Semiconductor) (DS1387) 실시간 시계. 이 버전에는 배터리 백업 SRAM도 포함되어 있습니다.


DIP-8 패키지의 달라스 DS1307 RTC 칩


에프손(Epson), 인터실(Intersil), IDT(Integrated Device Technology)(Integrated Device Technology), 맥심(Maxim Integrated Products)(Maxim Integrated Products), NXP 반도체(NXP Semiconductors), 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments), ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics), 리코(Ricoh)를 포함한 많은 집적 회로 제조업체에서 RTC를 생산한다. 단일 보드 컴퓨터에서 일반적으로 사용되는 RTC는 맥심 인티그레이티드(Maxim Integrated)(Maxim Integrated) DS1307이다.

RTC는 1984년 IBM PC/AT에 의해 PC 호환 기기에 도입되었으며, 모토롤라(Motorola)(Motorola) MC146818 RTC를 사용했다.[14][15] 나중에 달라스 반도체(Dallas Semiconductor)(Dallas Semiconductor)는 호환되는 RTC를 만들었는데, 이는 종종 오래된 개인용 컴퓨터에서 사용되었으며, 독특한 검은색 배터리 캡과 실크스크린 인쇄된 로고 때문에 마더보드에서 쉽게 찾을 수 있다.

최신 컴퓨터 시스템에서는 RTC가 사우스브리지 칩에 통합되어 있다.[17][18]

일부 마이크로컨트롤러에는 실시간 시계가 내장되어 있지만, 일반적으로 다른 많은 기능과 주변 장치를 갖춘 마이크로컨트롤러에만 해당된다. RTC 기능을 갖춘 IC는 많은 컴퓨터 시스템에 사용되며, 현재의 개인용 컴퓨터와 정보 가전에는 거의 필수적으로 내장되어 있다.

RTC는 시스템 본체의 전원과 독립적인 배터리(버튼형 전지나 슈퍼커패시터 등)로부터 전력을 얻어 시스템이 종료되어 있는 동안에도 시계 기능을 유지하도록 설계되는 경우가 많다(배터리 백업).

μPD1990과 같이 "년" 정보를 가지고 있지 않은 초기 RTC를 이용하는 경우, PC-9801은 메모리 스위치(A3FFE번지)에 "년" 정보를 BCD로 보유하고 있었다[25](메모리 스위치는 2주 정도 배터리 백업되었다[26]).

7. 2. 기타 활용

실시간 시계(RTC)는 시스템이 멈추거나 절전 모드에 들어가더라도 시간을 유지하는 데 도움을 준다.[1] 전력 소비가 적고,[2] 시간을 정확하게 유지하며, 메인 시스템의 부담을 줄여준다.

GPS 수신기는 RTC를 활용하여 시작 시간을 단축할 수 있다.[3]

에프손(Epson), 인터실(Intersil), IDT, 맥심, NXP 반도체(NXP Semiconductors), 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments), ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics), 리코(Ricoh) 등 많은 집적 회로 제조업체에서 RTC를 생산한다. 단일 보드 컴퓨터에서 자주 사용되는 RTC는 맥심 인티그레이티드(Maxim Integrated)(Maxim Integrated)의 DS1307이다.

최신 컴퓨터에서는 RTC가 사우스브리지 칩에 통합되어 있다.[17][18] 일부 마이크로컨트롤러에는 RTC가 내장되어 있기도 하다.

파칭코 기기에도 RTC 기능이 탑재되어 시간에 맞춰 연출을 작동시키는 경우가 있었다. 2012년에 발매된 "CR 파친코 AKB48"(경락산업)은 1시간에 한 번씩 특별한 연출을 선보여 인기를 끌었다. 산요물산의 "CR 슈퍼 해 이야기 IN 오키나와3", 사미의 "파친코 CR 북두의 권5 패자" 등에도 RTC 기능이 탑재되었다. 하지만 2010년대 후반부터는 RTC 기능 채용이 줄어들었다.

일부 게임 하드웨어와 소프트웨어에도 RTC가 내장되어 시간에 따라 변하는 이벤트나 매일 다른 이벤트가 발생하는 게임을 구현하는 데 사용되었다. 허드슨의 게임 소프트웨어에서는 PLGS(Personal Live Game System)라고 불렸다. 과거에는 게임 카트리지 내에 RTC 칩과 배터리를 탑재하는 경우가 많았지만, 비용 문제와 배터리 방전 문제가 있었다. 21세기 이후 출시된 대부분의 게임기에는 하드웨어에 시계 기능이 탑재되어 이러한 문제는 해결되었다.

8. 시간대(Time Zone)

PC를 비롯한 많은 경우, RTC는 시간대를 처리하는 기능이 없어 읽어들인 날짜와 시간이 어떤 시간대의 시간인지 직접 알 수 없다.[29] 운영체제는 부팅 시 RTC를 참조하여 시스템 시간을 동기화하지만, 양쪽이 각각 어떤 시간대인지 파악하지 않으면 불일치가 발생한다. 운영체제 설치 프로그램은 RTC가 보유하고 있는 날짜와 시간이 UTC인지 현지 시간인지, 그리고 현지 시간이라면 어떤 시간대(예: KST)인지 사용자에게 질문한다. 따라서 사용자는 설치 전에 어떤 방법으로든 RTC가 보유하는 시간의 시간대를 조사해야 한다. 대개 BIOS의 (ICH) 설정에 RTC 시간이 표시되므로, 이를 통해 RTC가 UTC인지 현지 시간인지 파악할 수 있다. 또는 BIOS의 시간 설정 기능을 사용하여 미리 RTC를 UTC 또는 현지 시간으로 맞춘 후 운영체제 설치 프로그램을 시작해도 된다. 설치 프로그램에서 설정된 RTC의 시간대 정보는 운영체제 및 시스템 시간의 시간대 정보(유닉스 계열 OS에서는 소위 tz 데이터베이스)와는 별도로 보관된다. 유닉스 계열 OS에서는 전자는 '''/etc/adjtime''', 후자는 '''/etc/localtime'''이라는 별도의 설정 파일에 기록되어 있다. 이후 OS 부팅 시마다 RTC를 읽어 시스템 시간과 동기화된다. 유닉스 계열 OS에서는 그때 /etc/adjtime 파일을 참조하여 RTC가 어떤 시간대인지 판단한 후 동기화한다.[30] 반대로 종료 시에는 시간대를 고려하여 시스템 시간을 RTC에 기록한다.[31] 반면, Windows NT 계열 OS는 기본값으로 RTC를 현지 시간으로 처리한다.[32] 따라서 양쪽 OS를 멀티 부팅할 수 있는 시스템에서, 만약 유닉스 계열 OS에서 RTC의 시간대를 UTC로 설정해 두면, 양쪽을 전환할 때 불일치가 발생하여 RTC의 내용을 신뢰할 수 없게 된다. 이 문제에 대해 Windows NT 계열에서는 UTC를 사용하는 대책이 있다. 하지만 시간을 직관적으로 알기 어렵고, 현지 시간 개념이 없는 애플리케이션에서는 타임스탬프가 UTC를 현지 시간으로 간주하여 저장하므로 불편해진다. 또는 유닉스 계열 OS 쪽의 시간대를 현지 시간으로 하면 된다.

어느 경우든, 시간 원으로 RTC를 사용하지 않고 NTP 등 외부 시간 원과 동기화하도록 설정하면 거의 문제없이 시간을 참조할 수 있다(단, Mac OS X v10.4.x는 시계가 되돌아가면 Finder의 동작이 이상해지는 버그가 있다. 애플은 Mac OS X v10.5로 업그레이드할 것을 권장하고 있다).

참조

[1] 웹사이트 Software interrupt based real time clock source code project for PIC microcontroller http://users.tkk.fi/[...] 2000-01-16
[2] 간행물 Enabling Timekeeping Function and Prolonging Battery Life in Low Power Systems https://www.digikey.[...] NXP Semiconductors
[3] 특허 Real time clock apparatus for fast acquisition or GPS signals
[4] 간행물 New PCF2123 Real Time Clock Sets New Record in Power Efficiency http://www.futurlec.[...] futurle
[5] 간행물 Application Note 3816 http://www.maxim-ic.[...] Maxim/Dallas Semiconductor
[6] 웹사이트 Introduction and Lithium Battery http://www.hardwares[...] hardwaresecrets.com 2004-11-24
[7] 간행물 Application Note 10337 ST Microelectronics
[8] 간행물 Application Note U-502 http://focus.ti.com/[...] Texas Instruments
[9] 간행물 Application Note 1994 http://www.maxim-ic.[...] Maxim/Dallas Semiconductor
[10] 웹사이트 Maxim DS3231m https://datasheets.m[...] Maxim Inc.
[11] 웹사이트 Highly Accurate Real-Time Clocks https://www.maximint[...] Maxim Semiconductors
[12] 웹사이트 RTC comparison https://blog.dan.dro[...] 2017-02-03
[13] 웹사이트 Chip Scale Atomic Clock https://www.microsem[...]
[14] 서적 IBM PC AT Technical Reference http://bitsavers.tra[...] International Business Machines Corporation
[15] 서적 MC146818A REAL-TIME CLOCK PLUS RAM (RTC) https://web.stanford[...] Motorola Inc.
[16] 웹사이트 CMOS RTC - Real Time Clock and Memory (ports 70h & 71h) :: HelpPC 2.10 - Quick Reference Utility :: NetCore2K.net https://helppc.netco[...]
[17] 웹사이트 ULi M1573 Southbridge Specifications http://www.amdboard.[...] AMDboard.com
[18] 웹사이트 82430FX PCISET Data Set https://www.intel.co[...]
[19] 웹사이트 GPS Clock Synchronization https://safran-navig[...] Safran (formerly Orolia) 2020-12-09
[20] 웹사이트 Product: USB Radio Clock https://www.meinberg[...] Meinburg
[21] 웹사이트 Calendrical Applications http://aa.usno.navy.[...] U.S. Navy
[22] 설명서 IBM System/360 Principles of Operation http://bitsavers.org[...] 1968-09-01
[23] 웹사이트 PDP-8/E Small Computer Handbook, 19 https://www.grc.com/[...] Gibson Research
[24] 문서 RTCといった場合、リアルタイム・コンピューティングを指すこともある。
[25] 서적 PC-9801解析マニュアル[第0巻] 秀和システムトレーディング株式会社 1983-06-30
[26] 서적 PC-9801システム解析(下) アスキー 1983-12-01
[27] 문서 改良型のμPD4990では4桁に拡張されている
[28] 문서 いきなり時計を進めると本来ある時刻で起動されるはずのイベントがスキップされたり、いきなり時計を戻すと同じイベントが二回起動されることがある。またデータベースでジャーナルのタイムスタンプが乱れる事は致命的な障害をもたらす。
[29] 웹사이트 暗記に頼らずちゃんと理解 実践でも役立つLPICドリル - 第8回 Linux時刻管理の仕組みと設定 https://atmarkit.itm[...] jibun.atmarkit.co.jp 2008-12-26
[30] 문서 ユーザーが/etc/adjtimeを操作したり、RTCのタイムゾーンが別のものであると強制的に認識させてシステム時刻を同期させることも可能。Linuxの場合は、詳しくはhwclockコマンドを参照。
[31] 웹사이트 暗記に頼らずちゃんと理解 実践でも役立つLPICドリル - 第8回 Linux時刻管理の仕組みと設定 https://atmarkit.itm[...] jibun.atmarkit.co.jp 2008-12-26
[32] 문서 UTCにも変更可能である。
[33] 웹사이트 CRフィーバー007 https://777.nifty.co[...]
[34] 웹인용 Software interrupt based real time clock source code project for PIC microcontroller http://users.tkk.fi/[...] 2000-01-16
[35] 웹사이트 Enabling Timekeeping Function and Prolonging Battery Life in Low Power Systems http://www.digikey.c[...] NXP Semiconductors
[36] 웹인용 STR71X RTC 적용 http://www.embed.com[...] 2013-10-09
[37] 문서 DS12C887, Dallass Semiconducion MAXIM http://datasheets.ma[...]
[38] 웹인용 DS1307, Maxim Integrated Products http://www.maximinte[...] 2015-06-15
[39] 웹사이트 PC용 메인보드 ASUS http://www.asus.com/[...]
[40] 웹사이트 PC용 메인보드 GIGABYTE http://www.gigabyte.[...]
[41] 웹인용 Selecting a Backup Source for Real-Time Clocks - Maxim http://www.maxim-ic.[...] 2008-04-29
[42] 웹인용 ULi M1573 Southbridge Specifications http://www.amdboard.[...] AMDboard.com 2007-08-23


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