news 2026/9/5 9:04:21

Nordic芯片+Zephyr RTOS:从环境搭建到低功耗蓝牙开发的完整指南

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
Nordic芯片+Zephyr RTOS:从环境搭建到低功耗蓝牙开发的完整指南

这次我们看一个嵌入式开源平台的组合:Nordic 芯片 + Zephyr 实时操作系统。它解决的不是“能不能点灯”的问题,而是从芯片底层的低功耗管理、蓝牙/Matter/蜂窝协议栈,到设备树配置、构建系统、固件升级、自动化测试全部拉通的一整套开发范式。如果你还停留在裸机标准库、传统 nRF5 SDK 或者 FreeRTOS 思路里,这篇内容值得认真看完。

先说结论:从行业采用率、开源社区活跃度和上游厂商参与度来看,Zephyr 是近几年发展最快的嵌入式开源 RTOS 之一。标题里提到的“十年深耕”,主要指 Nordic 从传统 nRF5 SDK 逐步转向基于 Zephyr 构建 nRF Connect SDK(NCS)之后,整个平台的能力边界被拉高了一个档位。现在 Nordic 从 nRF52 到 nRF53、nRF54,再到 nRF91 蜂窝系列,官方主推的开发路径已经全面落在 Zephyr 上,而不是某个私有内核上。

这篇文章会覆盖四块内容:第一,这套组合的核心能力与适用边界;第二,从零搭建 nRF Connect SDK 开发环境并完成一个工程的编译烧录;第三,通过实际测试验证串口日志、蓝牙功能、低功耗性能和自动化测试;第四,把工程里常见的坑和排查方法整理成清单,方便你直接对照使用。

1. 核心能力速览

在动手之前,先把这套平台的关键规格列清楚。下面这张表全部基于 Nordic + Zephyr 公开技术栈的通用能力,具体版本细节要以你安装的 SDK 为准。

能力项说明
开源内核Zephyr RTOS,Linux 基金会托管,社区驱动开发
厂商 SDKnRF Connect SDK(NCS),基于 Zephyr 封装 Nordic 芯片驱动和协议栈
支持芯片nRF52 系列、nRF53 系列、nRF54 系列、nRF91 蜂窝系列
支持架构ARM Cortex-M 为主,同时支持 RISC-V、x86、Xtensa 等多架构
主要功能蓝牙 LE、蓝牙 Mesh、Thread、Matter、Zigbee、蜂窝 LTE-M/NB-IoT、低功耗管理、安全启动与 DFU
硬件要求一块 Nordic 开发板,或自研 nRF 目标板 + J-Link / nrfjprog 烧录器
开发环境Linux 推荐,Windows 推荐用 WSL2,macOS 也可用
配置系统Kconfig 做软件配置,Devicetree 做硬件配置,sysbuild 做多镜像构建
构建工具west + CMake + Ninja,GNU ARM 工具链编译
启动方式命令行编译,west flash烧录,支持 J-Link、nrfjprog、pyOCD 等 runner
接口能力Shell、RTT、串口日志;提供 Logging API、Sensor API、蓝牙 Host API 等
批量任务支持west build多板级构建、twister自动化测试框架批量执行
适合场景低功耗物联网设备、可穿戴设备、智能家居、工业传感器、蜂窝模块产品

从这张表可以看出,Zephyr 不是简单意义上的“又一个 RTOS”,而是一整套类似 Linux 开发体验的嵌入式软件平台。它把硬件描述、软件配置、协议栈、可信固件、测试工具全部放在同一套构建体系里,这是它和传统 RTOS 最大的区别。

2. 适用场景与使用边界

这套平台适合谁?先说适合的。

第一类是低功耗无线产品开发者。Nordic 的看家本领就是低功耗蓝牙,Zephyr 里的蓝牙协议栈已经非常成熟,从 Central、Peripheral 到 Mesh、Matter,官方 sample 可以直接基于真实芯片验证。第二类是智能家居设备厂商。Matter over Thread 和 Zigbee 的支持让 Nordic 芯片可以在同一套 SDK 下应对多种协议,不需要为每种协议维护独立代码基线。第三类是蜂窝物联网开发者,nRF91 系列配合 Zephyr 的蜂窝协议栈和 modem 驱动,可以快速做出 LTE-M/NB-IoT 终端。第四类是希望从裸机或传统 RTOS 迁移的嵌入式团队,Zephyr 的驱动框架和设备树模型跟 Linux 很像,Linux 背景的工程师上手会非常快。

不适合的场景也要讲清楚。如果你的产品只用到一颗简单 8 位 MCU,内存只有几 KB,代码量很小,Zephyr 的调度器、设备树、Kconfig 这套体系会显得略重,此时 FreeRTOS 或裸机反而是更务实的选型。如果你需要极致的实时性,纳秒级中断响应和严格的确定性调度,Zephyr 提供的是通用 RTOS 服务,你需要在任务优先级、中断嵌套和内核裁剪上下更多功夫。另外,Zephyr 的构建系统有学习曲线,west、CMake、设备树这一套组合,对于刚接触嵌入式的初学者来说,第一周会明显比用 Keil 点灯要慢。

涉及版权、隐私和安全的边界必须提一下。Zephyr 是开源许可证项目,商用不需要授权费,但你在工程里集成的第三方协议栈、加密库和示例代码,各有各的许可证要求,商用前要逐项核查。如果你做的是蓝牙设备或者蜂窝终端,产品要过认证,软件里涉及的射频参数、协议版本和加密算法必须按目标市场规范配置。低功耗蓝牙设备往往涉及个人数据收发,隐私设计要从前端通信模型就开始考虑,不能只靠加密库兜底。

3. 环境准备与前置条件

开发 Nordic + Zephyr,最怕的不是代码难写,而是环境不是一次搭对的。我把前置条件分成四块,你逐个核对。

3.1 操作系统与硬件

推荐用 Linux 进行开发,Ubuntu 22.04 或更新版本是社区最常用的环境。Windows 用户建议直接装 WSL2,然后在 WSL 里操作,避免原生 Windows 下面遇到 USB 与命令行工具的权限和路径兼容问题。macOS 也能用,但部分 Nordic 烧录工具对 macOS 的支持节奏会比 Linux 慢一些。

硬件方面,至少要有一块 Nordic 开发板,常见的是 nRF52840 DK、nRF5340 DK 或 nRF54L15 DK。如果没有官方开发板,也可以使用自研板,但要保证板上有 SWD 调试口,并且能识别 J-Link 或 DAPLink。

3.2 依赖工具链

以下是通用的工具链清单,具体版本号建议到 Nordic 官方文档或你使用的 NCS 版本对应页面确认。

  • Python 3.8 以上,west 依赖 Python 环境
  • CMake 3.20 以上
  • Ninja 构建系统
  • GNU ARM Embedded Toolchain,用于编译 ARM Cortex-M 目标
  • nRF 命令行工具(nrfjprog、nrfutil),用于烧录和调试
  • Git,用于拉取 NCS 仓库

如果你是 Ubuntu 环境,可以用以下命令先装系统级依赖。这里给的是通用模板,实际需要的包名以官方文档为准。

sudo apt update sudo apt install --no-install-recommends git cmake ninja-build gperf \ ccache dfu-util device-tree-compiler wget \ python3-dev python3-pip python3-setuptools python3-tk \ python3-wheel xz-utils file make gcc gcc-multilib g++-multilib libsdl2-dev

3.3 磁盘与网络

Zephyr 源仓库和 NCS 仓库非常大,尤其是首次west update会拉取多个子仓库。磁盘建议至少预留 30GB 到 50GB 空间。网络方面,建议在网络比较稳定的时间段执行west update,否则容易出现子模块拉取超时。

3.4 配置检查

环境搭完之后,建议先跑一遍依赖检查。Zephyr 的构建系统会在编译时自动检查关键工具版本,但你自己也要手动确认一下:

python3 --version cmake --version ninja --version arm-none-eabi-gcc --version west --version

如果你在 Windows + WSL2 环境,还要验证 USB 设备是否能在 WSL 里被 nrfjprog 识别。这一步最常用,也最容易出问题,后面排查章节会专门讲。

4. 安装部署与启动方式

这套开发栈没有图形化“双击启动”这个概念,所有操作都通过命令行完成。下面给的是最标准的 NCS 工作流,按步骤执行即可。

4.1 安装 west 工具

west 是 Zephyr 自带的构建和多仓库管理工具。先用 pip 安装:

pip3 install west

如果你之前装过旧版 west,建议升级一下:

pip3 install --upgrade west

4.2 初始化 nRF Connect SDK 工作区

创建一个工作目录,然后在目录下执行west init。注意这里用的是 nRF Connect SDK 的 manifest 仓库,不是纯 Zephyr 仓库。

mkdir ncs-workspace cd ncs-workspace west init -m https://github.com/nrfconnect/sdk-nrf .

初始化完成后,再执行west update,这一步会按照 manifest 文件把 Zephyr、MCUboot、协议栈、驱动等几十个仓库全部同步到本地。

west update

west update是第一次用时最容易卡住的地方。如果因为网络中断失败,可以重新执行一次,west 会断点续传,已经拉取过的仓库不会重复下载。

4.3 导出 Zephyr 构建辅助文件

接下来导出 CMake 包。这一步让构建系统能找到 Zephyr 内核和库:

west zephyr-export

4.4 安装 Python 依赖

Zephyr 的很多脚本依赖额外的 Python 包,例如 pyelftools、packaging、pyyaml 等。官方通常会在 Zephyr 仓库里提供 requirements 文件:

pip3 install -r zephyr/scripts/requirements.txt

如果你的系统 Python 环境受控,建议使用虚拟环境,避免污染系统 Python。

4.5 编译与烧录

环境配好后,从 sample 开始验证。以 nRF52840 DK 和 Zephyr 自带的 hello_world 为例:

cd ncs-workspace west build -b nrf52840dk_nrf52840 -d build/hello_world zephyr/samples/hello_world

如果编译通过,烧录到开发板:

west flash -d build/hello_world

这里说明一点:-b参数指定目标板卡名称,-d指定构建目录,最后一个参数是 sample 源码路径。不同的 Nordic 开发板,板卡名称不同,自研板需要自己在 SDK 里添加 board 定义,这是另一个主题,先不展开。

5. 功能测试与效果验证

工程能编译能烧录,只算环境没问题。要真正验证这套平台能不能用,建议按下面几个维度依次测试。

5.1 Hello World 与串口日志

先做最基础的串口输出验证。hello_world 样例默认会通过 UART 输出Hello World!,你需要用串口工具连接开发板的虚拟串口。

Linux 下段先看一下端口有没有出现:

dmesg | grep tty

通常会出现类似/dev/ttyACM0的设备。然后使用串口工具连接,波特率常见为 115200:

screen /dev/ttyACM0 115200

如果看到Hello World!输出,说明编译、烧录、UART 驱动、日志链路四层都是通的。这是整条工具链最可靠的地基验证,任何一层出问题都会在这里暴露。

判断标准:串口能稳定输出日志,拔掉 USB 重新插上后仍然能正常烧录和输出。

常见失败:串口设备不出现,多半是驱动问题或权限问题;输出乱码,说明波特率配置不对,需要和工程里的CONFIG_UART_BAUD_RATE匹配。

5.2 GPIO 与设备树验证

第二测,验证 GPIO 驱动和设备树配置是否生效。在 Zephyr 里,GPIO 引脚不是硬编码在代码里的,而是通过设备树描述。通常要创建或修改一个 overlay 文件,定义 LED 引脚:

/ { leds { compatible = "gpio-leds"; led0: led_0 { gpios = <&gpio0 13 GPIO_ACTIVE_LOW>; label = "Green LED 0"; }; }; };

然后在prj.conf里确认 GPIO 驱动已启用,或者直接用 sample 里的 blinky。编译烧录后,如果 LED 按预期闪烁,说明设备树解析、GPIO 驱动、时钟配置和板级初始化都是正常的。

这一步非常关键,因为 Zephyr 项目里大量问题都出在设备树节点名、标签、gpio 控制器引用和极性配置写错上,能在开发板上以最小代价验证,就不要等到画完板子再排查。

5.3 蓝牙功能验证

Nordic 的价值在于无线,所以蓝牙测试是必做项。用官方 peripheral_uart 或 throughput sample,编译烧录后,手机上用 nRF Connect 或 LightBlue 去扫描设备,应该能看到对应的广播名称。

测试时重点看三件事:第一,是否能在合理时间内扫描到设备;第二,连接是否稳定;第三,建立连接后能否正常收发数据。如果你用的开发板天线或匹配电路有问题,这个测试会直接暴露。

另外注意蓝牙协议栈的配置项,比如CONFIG_BT_CTLR_DATA_LENGTH_MAXCONFIG_BT_CTLR_PHY这些会影响吞吐和连接稳定性。量产前不要用默认值不加验证。

5.4 低功耗与唤醒验证

低功耗是 Zephyr + Nordic 平台的重要卖点。测试低功耗不是简单的跑一个 sleep 示例,而是要看设备能不能进入目标睡眠模式,以及唤醒后系统状态是否正常。

Zephyr 里可以通过日志和电源管理 API 观察当前电源状态。比如pm_state_force()或系统电源管理的pm_state_get(),配合串口日志可以看到设备进入了什么状态。更实际的方法是外接电流计或使用 Nordic 的 Power Profiler Kit 测量平均电流。

判断标准:设备在空闲时进入深度睡眠,平均电流降到数据手册给出的预期范围;有外部事件或定时器事件时能快速唤醒并恢复运行。如果一直睡不下去,先查是否有 tickless idle 没开启,再查外设唤醒源是否注册成功。

5.5 功能验证汇总

测试项输入方式预期结果验证点
串口日志烧录 hello_world串口输出 Hello World编译、烧录、UART 驱动
GPIO 控制烧录 blinkyLED 闪烁设备树、GPIO 驱动
蓝牙广播烧录 BLE sample手机可扫描到设备协议栈、射频链路
低功耗空闲观察电流电流进入预期睡眠值电源管理配置、唤醒源

6. 接口 API 与自动化批量处理

Zephyr 不像 Web 服务那样提供一个 HTTP API,但它有自己的“接口”体系,而且自动化能力比很多人想象中强。如果你要构建连续集成或批量验证流程,这部分很关键。

6.1 日志与 Shell 接口

Zephyr 支持 Shell 子系统,通过串口或 RTT 输入命令,可以查看线程状态、设备树信息、内核对象,甚至动态切换日志等级。

启用 Shell 的方式是在prj.conf中开启:

CONFIG_SHELL=y CONFIG_SHELL_BACKEND_SERIAL=y CONFIG_LOG=y

编译烧录后,通过串口输入kernel threadsdevices就能看到系统内部状态。这相当于一个挂在嵌入式系统里的调试控制台,在验证驱动和排查死锁时非常有用。

6.2 RTT 接口与调试

SEGGER RTT 是另一种调试通道,比串口更快,不需要额外占用 UART 引脚。调试时先配置:

CONFIG_USE_SEGGER_RTT=y CONFIG_RTT_CONSOLE=y CONFIG_UART_CONSOLE=n

然后用 J-Link RTT Viewer 连接,可以在非常低的开销下看日志和交互。RTT 在低功耗调试场景下尤其好用,因为不需要专门的物理串口,能减少对目标系统运行状态的干扰。

6.3 批量构建与自动化测试

Zephyr 提供了twister测试工具,可以批量构建和运行测试。它的作用是遍历所有支持的目标板和测试用例,然后并行执行构建与烧录测试。

# 在 Zephyr 仓库目录下执行 ./scripts/twister -T tests/drivers/uart -p nrf52840dk_nrf52840 -p nrf5340dk_nrf5340_cpuapp

该参数的含义是:在指定板卡上运行 UART 驱动测试。twister 会为每个板卡组合生成独立的构建目录,并输出测试报告。放到 CI 里之后,每次代码合入前自动跑一轮编译和测试,能提前拦截大量回归问题。

6.4 批量烧录

量产阶段的批量烧录,可以通过west flash配合不同的 runner 完成,也可以用 nrfutil 脚本化处理。比如你需要把同一个固件烧到多块板卡上,可以在脚本里循环调用 nrfutil:

nrfutil dfu serial -pkg app.zip -p /dev/ttyACM0 -b 115200

这种方式适合小批量生产和返修。大批量产线上通常会用专门的烧录器方案,但核心固件出包流程是一样的,先要生成带签名的 DFU 包,再交给产线工具烧录。

7. 资源占用与性能观察

Zephyr 的资源占用没有一个固定数字,它和 Kconfig 裁剪、协议栈选择、优化等级、日志等级强相关。但你要知道从哪里看,以及怎么看。

7.1 ROM 与 RAM 统计

编译完成后,构建工具会生成内存统计报告。查看方式:

west build -t ram_report west build -t rom_report

执行后会在终端输出内存占用分布,并生成 HTML 报告。比如你可以看到蓝牙协议栈占了多少 ROM,mbedTLS 占了多少,线程栈占了多少 RAM。这个报告在优化代码体积时非常有用。

如果不能直接生成,也可以从编译日志里看Memory region Used Size Region Size %age Used这段,它给出 FLASH 和 RAM 的整体使用情况。这里不用对照任何“标准值”,你的产品规格会说清楚剩下多少资源。

7.2 影响资源占用的因素

影响最大的是 Kconfig 配置。CONFIG_BTCONFIG_NVSCONFIG_MCUMGRCONFIG_LOG这些开关每开一个都会增加 ROM。日志等级设成 debug,也会明显增加代码体积和执行时间。设备树里启用的外设越多,驱动和中断处理占用的 RAM 越多,尤其是每个外设的缓冲区。

优化时建议按顺序排查:先关闭用不上的子系统,再把日志等级从 debug 调到 info 或 warning,然后检查是否有重复使能的驱动和传感器,最后检查线程栈大小,每个线程栈的默认值往往是偏保守的。

7.3 运行时性能观察

Zephyr 可以提供内核对象状态和时间统计。开启后,通过 shell 可以看到线程的堆栈使用情况、调度延迟和 CPU 占用。

CONFIG_THREAD_ANALYZER=y CONFIG_THREAD_ANALYZER_AUTO=y CONFIG_THREAD_ANALYZER_RUN_UNLOCKED=y

这个特性在调低功耗或者排查任务卡死时价值很大。它能帮你看清哪个线程频繁唤醒,哪个线程栈深度不够,哪个线程占用了过多 CPU,避免靠猜。

7.4 功耗观察方法

功耗不是编译选项能直接测出来的,需要硬件测量。推荐用 Nordic Power Profiler Kit,或者简单的万用表串联到供电电路里看平均电流。观察时要特别注意:设备长时间空闲时有没有进入目标睡眠状态;有没有外设没被关掉,比如某个传感器在 sleep 模式还在吃电流;唤醒事件发生时,响应时间是否满足产品需求。日志本身也会影响功耗,频繁输出日志会让 CPU 频繁唤醒,所以在低功耗测量时,应该把日志关掉或调到最低等级。

8. 常见问题与排查方法

下面这是实际工程中最容易踩的坑,按现象整理成表格,方便直接对照。

问题现象可能原因排查方式解决方案
west update失败网络不稳定、子模块地址变更查看west update -v日志重新执行west update,必要时使用代理或镜像仓库
编译报错找不到头文件依赖仓库未完整拉取,或工具链路径错误检查west list,确认 zephyr、nrf 仓库存在重新执行west update,或重新设置ZEPHYR_TOOLCHAIN_VARIANT
烧录时提示 No J-Link foundJ-Link 驱动未装、USB 线不识别、板卡未上电nrfjprog --ids查看设备枚举安装 nrf-command-line-tools,更换 USB 接口,重新插拔板卡
串口没有日志输出串口号错误、波特率错误、串口权限不够查看/dev/ttyACM*,检查dmesgsudo usermod -aG dialout $USER添加用户权限,或使用 115200 波特率
日志输出乱码波特率不匹配,或 UART 引脚被复用核对prj.conf和实际串口连接统一波特率,检查针脚配置与 USB 转串口对应关系
Kconfig 改了没生效构建目录缓存了旧配置清理build目录删除 build 目录后重新west build
蓝牙扫描不到设备天线引脚配置不正确、协议栈未启用、设备树射频节点未使能检查日志,确认蓝牙初始化成功对照官方板级设备树,检查高频晶振和天线匹配配置
twister 批量测试卡住板卡未连接,或者测试用例需要特定硬件查看 twister 日志-p参数配置实际可用板卡,不要盲目跑全量
内存区域不足启用了过多功能或设备树配置错误查看west build -t rom_report裁剪 Kconfig 功能,优化日志等级,检查链接脚本

需要注意的是,Zephyr 的报错信息通常比较详细,但错误原因往往被前面的日志掩盖。比如说编译错误提示一个宏不存在,真正原因可能是CONFIG_SOMETHING没有使能。遇到问题先看完整日志,再看是哪一步失败,最后才去搜错误码。

9. 最佳实践与工程化建议

工程能跑起来是一回事,能稳定交付是另一回事。下面这些实践建议,来自长期使用 Zephyr 开发产品的通用经验,不是针对某个特定项目的专属技巧。

第一,项目目录结构要清晰。不要把所有 sample 代码堆在一起,建议一个产品一个目录,内部按srcincludeboardsdriversscripts组织,配置文件prj.confapp.overlayKconfig各司其职。Zephyr 的构建系统对目录结构有默认约定,遵循约定比自创结构省心得多。

第二,Kconfig 配置不要全部放在prj.conf里。能用default写在 Kconfig 文件和驱动里的,就不要在应用层强制覆盖。否则后面换一个板卡,遇到同一个功能不同配置时,你会遇到大量冲突。合理使用prj_<board>.confboards/<board>.conf按板卡隔离差异配置。

第三,设备树 overlay 按时保留。用 devicetree 描述硬件时,建议把自定义硬件通过 overlay 文件放置,而不是直接修改 SDK 里的nrf52840dk_nrf52840.dts。这样 SDK 升级时不会丢改动,也可以同时维护多块自研板。每次改设备树后,用west build -t dtc检查生成的设备树是否符合预期。

第四,版本管理要做两层。第一层,应用代码必须纳入 Git 管理,并且把west update后生成的west.ymlwest.lock提交到仓库,确保同事和 CI 能复现同一个 SDK 版本。第二层,不要轻易升级 NCS 版本,尤其是在产品验证阶段。每次 NCS 大版本升级,都意味着 Zephyr 版本的跳跃,驱动行为和子系统接口都可能变化,至少要留出一个月做迁移和回归测试。

第五,批量构建和测试要尽早接入 CI。Zephyr 生态里,twister已经是很成熟的测试框架。即使你的团队没有专职测试人员,至少在本地跑一遍twister -T tests/your_app_testsuite,能比手工测试多发现很多回归问题。

第六,信息安全要前置。Nordic 平台支持 TrustZone、MCUboot 和安全 DFU,产品从设计阶段就要考虑固件签名、安全启动、密钥管理和防回滚。不要等到量产前再补,否则密钥存储、加密分区和升级流程都可能要推倒重来。

第七,涉及第三方代码和样品代码的许可证要核对。Zephyr 和 NCS 的仓库里包含多个许可证的代码,有些 library 是 BSD、Apache 协议,有些可能是其他授权。商用前做一次许可证扫描,把合规风险提前解决,比事后补救成本低得多。

10. 总结与下一步

这套平台最值得尝试的点,是把嵌入式开发从“芯片手册 + 寄存器 + 私有 SDK”的模式,带到了“设备树 + Kconfig + 统一构建系统 + 可复用驱动框架”的模式。对比传统 RTOS,Zephyr 的工程代码在可复用性、可配置性和可调试性上有明显优势,同时仍然保持了低功耗硬件级设计的灵活性。

如果你刚开始接触 Nordic + Zephyr,第一步建议先跑通 hello_world 和串口日志,不要急着调蓝牙或低功耗。工具链通了,后面的协议栈、驱动、设备树这些模块就有稳定的验证基础,排查问题也会容易得多。最容易踩的坑基本集中在网络同步失败、串口权限、板卡名称不对这三类,前半个小时就能判断出问题在哪。

接下来你可以按自己的产品方向深入:做蓝牙设备,就去研究官方 peripheral_uart 和 HIDS 样例;做智能家居,就去跑 Matter over Thread 样例;做低功耗传感器,就重点验证 tickless idle、电源管理状态机和唤醒源配置;做蜂窝终端,就在 nRF91 系列上跑 modem 驱动的 TCP/IP 或 MQTT 样例。每一条路线都有对应的官方 sample 和配套文档,花点时间把基础链路走通,后面的开发效率会肉眼可见地提升。建议直接把这份环境搭建和验证流程存成团队的快速入门文档,后期换新成员或者换电脑时能少踩很多重复的坑。

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