嵌入式系統(tǒng)及其在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用
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嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物,是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識(shí)系統(tǒng)。
文中介紹了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展,提出了在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)遵循的原則,并介紹了嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用。
嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品,反映當(dāng)代最新技術(shù)的先進(jìn)水平。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域,在PC市場(chǎng)已趨于穩(wěn)定的今天,嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統(tǒng)所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展,因此嵌入式系統(tǒng)自身獲得了快速發(fā)展。根據(jù)美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)雜志RTC報(bào)道,在21世紀(jì)初的10年中,全球嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)需求量具有比PC市場(chǎng)大10~100倍的商機(jī)。
有機(jī)構(gòu)估計(jì),全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場(chǎng)將超過(guò)1萬(wàn)億美元。隨著技術(shù)的發(fā)展,業(yè)內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義也越來(lái)越清晰。它是微處理器、大規(guī)模集成電路、軟件技術(shù)和各種具體的行業(yè)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果,其中各種軟件技術(shù)占了嵌入式系統(tǒng)80%的工作量。嵌入式系統(tǒng)不同于一般PC 機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng),即使是針對(duì)不同的具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)之間的差別也很大。嵌入式系統(tǒng)一般功能單一、簡(jiǎn)單,且在兼容性方面要求不高,但是在大小、成本方面限制較多??梢哉f(shuō),嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷、需要不斷創(chuàng)新的技術(shù)。
嵌入式系統(tǒng)歷史及發(fā)展趨勢(shì)
事實(shí)上,在很早以前,嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面,嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于對(duì)電子機(jī)械電話(huà)交換的控制,當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”(Stored Program Control)。
嵌入式計(jì)算機(jī)的真正發(fā)展是在微處理器問(wèn)世之后。1971年11月,Intel公司成功地把算術(shù)運(yùn)算器和控制器電路集成在一起,推出了第一款微處理器Intel 4004,其后各廠(chǎng)家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器,包括Intel 8080/8085、8086,Motorola 的6800、68000,以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng),計(jì)算機(jī)廠(chǎng)家開(kāi)始大量地以插件方式向用戶(hù)提供OEM產(chǎn)品,再由用戶(hù)根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲(chǔ)器板以及各式I/O插件板,從而構(gòu)成專(zhuān)用的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。
為靈活兼容考慮,出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機(jī)。流行的單板計(jì)算機(jī)有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來(lái)人們可以不必從選擇芯片開(kāi)始來(lái)設(shè)計(jì)一臺(tái)專(zhuān)用的嵌入式計(jì)算機(jī),而是只要選擇各功能模塊,就能夠組建一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者都希望從不同的廠(chǎng)家選購(gòu)最適合的OEM產(chǎn)品,插入外購(gòu)或自制的機(jī)箱中就能形成新的系統(tǒng),因此希望插件相互兼容,從而導(dǎo)致了工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)的誕生。1976年Intel公司推出Multibus,1983年擴(kuò)展為帶寬達(dá)40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單STD總線(xiàn)廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)。
20世紀(jì)80年代可以說(shuō)是各種總線(xiàn)層出不窮、群雄并起的時(shí)代。隨著微電子工藝水平的提高,集成電路制造商開(kāi)始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個(gè)VLSI中,從而制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器,即俗稱(chēng)的單片機(jī),成為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進(jìn)一步提升了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平,并迅速滲入到消費(fèi)電子、醫(yī)療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域。
20世紀(jì)90年代,在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下,嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步加速發(fā)展。面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度、低功耗發(fā)展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30,引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應(yīng)用方面,發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦,1997年在美國(guó)市場(chǎng)上掌上電腦不過(guò)四五個(gè)品牌,而1998年底,各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來(lái)。此外,Nokia推出了智能電話(huà),西門(mén)子推出了機(jī)頂盒,Wyse推出了智能終端,NS推出了WebPAD。21世紀(jì)無(wú)疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代,將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿薮?,其在醫(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)的定義及分類(lèi)
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶(hù)應(yīng)用程序等部分組成(見(jiàn)圖1),用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng),它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。
嵌入式系統(tǒng)通??砂磮D2分類(lèi)。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、交通、電子、醫(yī)療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)
嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點(diǎn):
(1)對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力,能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間,從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度;
(2)具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用,需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能,同時(shí)也有利于軟件診斷;
(3)可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu),以便最迅速地開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器;
(4)嵌入式微處理器必須功耗很低,尤其是用于便攜式的無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此,如需要功耗只有mW甚至μW級(jí)。
嵌入式系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有六大重要特征:
(1)專(zhuān)用性強(qiáng):嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU,與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶(hù)群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,它通常都具有功耗低、體積小、集成度高等特點(diǎn),能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部,從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化,移動(dòng)能力大大增強(qiáng),與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來(lái)越緊密;
(2)知識(shí)集成度高:嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng);
(3)系統(tǒng)內(nèi)核?。呵度胧较到y(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì),量體裁衣、去除冗余,力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇更具有競(jìng)爭(zhēng)力;
(4)系統(tǒng)精簡(jiǎn):嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起,一般沒(méi)有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分。它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行,因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng),便具有較長(zhǎng)的生命周期;
(5)高實(shí)時(shí)性和可靠性:為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性,嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中,而不是存儲(chǔ)于磁盤(pán)等載體中;
(6)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境:嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力,設(shè)計(jì)完成以后用戶(hù)通常不能直接對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改,因此必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用
醫(yī)療儀器設(shè)備的最新發(fā)展趨勢(shì)
進(jìn)入2008年,越來(lái)越多的利好消息出現(xiàn)在醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域。近期,德國(guó)、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫(yī)療和全民醫(yī)療領(lǐng)域加大投入。而我國(guó)和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國(guó)也將在2008年繼續(xù)其備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級(jí)別的投入將增加全社會(huì)對(duì)醫(yī)療儀器設(shè)備的需求。隨著生活水平的不斷提高,人們對(duì)于自身健康的關(guān)注也提升到一個(gè)前所未有的高度。今天,越來(lái)越多的高科技手段開(kāi)始運(yùn)用到醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)中。心電圖、腦電圖等生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)備,各類(lèi)型的監(jiān)護(hù)儀器、超聲波、X射線(xiàn)成影設(shè)備、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開(kāi)始在各地醫(yī)院廣泛使用。遠(yuǎn)程醫(yī)療、HIS、病人呼叫中心、數(shù)字化醫(yī)院等先進(jìn)理念的出現(xiàn)和應(yīng)用,使醫(yī)院的管理比以往任何時(shí)候都更加完善和高效,同時(shí)病人享受到更加快捷方便和人性化的服務(wù)。
在技術(shù)領(lǐng)域,醫(yī)療儀器設(shè)備則開(kāi)始呈現(xiàn)向便攜性和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)。可以隨身攜帶的血壓計(jì)、血糖儀,可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀必然會(huì)有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。而網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)一步普及也正在進(jìn)入醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域,通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù),醫(yī)生可以遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)病人的資料;數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備使病人不必再攜帶大量的檢測(cè)資料奔波在醫(yī)院的各個(gè)科室甚至是遠(yuǎn)隔千里的不同醫(yī)院之間,從而節(jié)省了就醫(yī)者的時(shí)間和重復(fù)檢測(cè)的費(fèi)用;而網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療儀器設(shè)備和系統(tǒng)也使遠(yuǎn)程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),身在某些不發(fā)達(dá)地區(qū)的重癥患者有可能通過(guò)遠(yuǎn)程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生。在我國(guó),由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的缺乏和地區(qū)間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問(wèn)題。醫(yī)療儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化所帶來(lái)的這些益處對(duì)解決該問(wèn)題也有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。
嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用
由于醫(yī)療儀器設(shè)備固有的自身特點(diǎn)和以上提到的最新發(fā)展趨勢(shì)的要求,用于醫(yī)療儀器設(shè)備的技術(shù)和系統(tǒng)也應(yīng)該與這些特點(diǎn)和要求相適應(yīng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備,符合發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)的要求和變化。
醫(yī)療儀器領(lǐng)域大量醫(yī)療儀器的應(yīng)用,如心臟起搏器、放射設(shè)備及分析監(jiān)護(hù)設(shè)備,都需要嵌入式系統(tǒng)的支持。各種化驗(yàn)設(shè)備,如肌動(dòng)電流描記器、離散光度化學(xué)分析、分光光度計(jì)等,都需要使用高性能的、專(zhuān)用化的DSP系統(tǒng)來(lái)提高其精度和速度。引入嵌入式系統(tǒng)后,現(xiàn)有的各種監(jiān)護(hù)儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。
一般來(lái)說(shuō),醫(yī)療系統(tǒng)都非常龐大,但我們看到的一個(gè)趨勢(shì)是便攜式、低成本產(chǎn)品漸漸流行。便攜醫(yī)療產(chǎn)品可分為兩種:一種是手持產(chǎn)品,如用于患者監(jiān)控的產(chǎn)品,像測(cè)量脈搏、血壓等的產(chǎn)品,醫(yī)生可以隨身攜帶;另一種則不一定能夠隨身攜帶,但它們是低成本、簡(jiǎn)單的設(shè)備,一般用于設(shè)備較簡(jiǎn)單的醫(yī)院。針對(duì)便攜化的趨勢(shì),要求醫(yī)療電子設(shè)備必須具備體積小、功耗低、價(jià)格低和易于使用的特點(diǎn)。
在醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)方面,有三個(gè)設(shè)計(jì)策略非常重要:一是采用模塊化設(shè)計(jì)方法,采用這種方法可以在基本的平臺(tái)上設(shè)計(jì)出不同型號(hào)的產(chǎn)品;二是背板設(shè)計(jì)方法,每個(gè)大系統(tǒng)一般都會(huì)有背板,上面可以插很多不同的板,它可以使系統(tǒng)的速度很快;三是便攜產(chǎn)品。由于嵌入式系統(tǒng)具有的特點(diǎn),上述醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)策略都可以采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
在醫(yī)療儀器應(yīng)用中,嵌入式系統(tǒng)的普及率非常高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)重新編程,可避免前端流片(NRE)成本,減少和ASIC相關(guān)的訂量,降低芯片多次試制的巨大風(fēng)險(xiǎn)。此外,隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展或者當(dāng)需求出現(xiàn)變化時(shí),還可以在現(xiàn)場(chǎng)更新。而且,設(shè)計(jì)人員能夠反復(fù)使用公共硬件平臺(tái),在一個(gè)基本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,建立不同的系統(tǒng),支持各種功能,從而大大降低了生成成本。使產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的生命周期,可以保護(hù)醫(yī)療儀器不會(huì)太快過(guò)時(shí),醫(yī)療行業(yè)的產(chǎn)品生命周期比較長(zhǎng),因此這一特性非常重要?,F(xiàn)代數(shù)字醫(yī)療儀器設(shè)備不但包括診療設(shè)備,而且還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和接口軟件。嵌入式系統(tǒng)可為醫(yī)療儀器設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用提供先進(jìn)的技術(shù)支持。
嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用前景
隨著信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化產(chǎn)品空前繁榮。嵌入式軟件已經(jīng)成為數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新和軟件增值的關(guān)鍵因素,是未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。從醫(yī)療儀器領(lǐng)域來(lái)看,除了新的傳感檢測(cè)技術(shù)不斷運(yùn)用推廣之外,對(duì)所采集信息的分析、存儲(chǔ)和顯示也提出了更高的目標(biāo)。這就要求現(xiàn)代的醫(yī)療儀器具備更強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力以及更穩(wěn)定可靠的性能。另外,醫(yī)療儀器作為一個(gè)特殊的行業(yè),又要求設(shè)備能夠達(dá)到更高級(jí)別的環(huán)保要求。如何進(jìn)一步地智能化、專(zhuān)業(yè)化、小型化,同時(shí)做到低功耗、零污染,將會(huì)是一個(gè)無(wú)止境的追求過(guò)程,這為嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用提供了更廣闊的天地和更高的要求。
我國(guó)目前有19.2萬(wàn)家醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu),擁有的醫(yī)療儀器設(shè)備中有15%是上世紀(jì)70年代前后的產(chǎn)品,需要更新?lián)Q代,這將會(huì)推動(dòng)未來(lái)幾年甚至更長(zhǎng)一段時(shí)間我國(guó)醫(yī)療儀器設(shè)備需求增長(zhǎng)。2007是醫(yī)療體制改革啟動(dòng)之年,政府加大了公共衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施的投入,給醫(yī)療儀器帶來(lái)較大的發(fā)展空間。根據(jù)“十一五”規(guī)劃,2007年“新農(nóng)村合作醫(yī)療”試點(diǎn)覆蓋面將逐步擴(kuò)大,2008年在全國(guó)基本推行,2010年實(shí)現(xiàn)基本覆蓋農(nóng)村居民的目標(biāo),這對(duì)于我國(guó)醫(yī)療儀器將是重大利好。同時(shí),中國(guó)醫(yī)療儀器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整,對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療儀器也提供了一個(gè)很好的發(fā)展機(jī)會(huì),同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn),開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品除了應(yīng)具有獨(dú)特的創(chuàng)新功能外,開(kāi)發(fā)者還應(yīng)遵循一定的原則。只有這樣,才能使嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用事半功倍。
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