用模塊化和面向?qū)ο蟮姆绞�，編寫單片機LCD驅(qū)動程序

工程師進階筆記 · 發(fā)表于 2024-9-19 17:50:00

我是老溫，一名熱愛學習的嵌入式工程師
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來源 | 屋脊雀
網(wǎng)絡上配套STM32開發(fā)板有很多LCD例程，主要是TFT LCD跟OLED的。從這些例程，大家都能學會如何點亮一個LCD。但這代碼都有下面這些問題：

分層不清晰，通俗講就是模塊化太差。

接口亂。只要接口不亂，分層就會好很多了。

可移植性差。

通用性差。為什么這樣說呢？如果你已經(jīng)了解了LCD的操作，請思考如下情景：
1、代碼空間不夠，只能保留9341的驅(qū)動，其他LCD驅(qū)動全部刪除。能一鍵（一個宏定義）刪除嗎？刪除后要改多少地方才能編譯通過？
2、有一個新產(chǎn)品，收銀設備。系統(tǒng)有兩個LCD，都是OLED，驅(qū)動IC相同，但是一個是128x64，另一個是128x32像素，一個叫做主顯示，收銀員用；一個叫顧顯，顧客看金額。怎么辦？這些例程代碼要怎么改才能支持兩個屏幕？全部代碼復制粘貼然后改函數(shù)名稱？這樣確實能完成任務，只不過程序從此就進入惡性循環(huán)了。
3、一個OLED，原來接在這些IO，后來改到別的IO，容易改嗎？
4、原來只是支持中文，現(xiàn)在要賣到南美，要支持多米尼加語言，好改嗎？
LCD種類概述在討論怎么寫LCD驅(qū)動之前，我們先大概了解一下嵌入式常用LCD。概述一些跟驅(qū)動架構設計有關的概念，在此不對原理和細節(jié)做深入討論，會有專門文章介紹，或者參考網(wǎng)絡文檔。
TFT lcdTFT LCD，也就是我們常說的彩屏。通常像素較高，例如常見的2.8寸，320X240像素。4.0寸的，像素800X400。這些屏通常使用并口，也就是8080或6800接口（STM32 的FSMC接口）；或者是RGB接口，STM32F429等芯片支持。其他例如手機上使用的有MIPI接口。
總之，接口種類很多。也有一些支持SPI接口的。除非是比較小的屏幕，否則不建議使用SPI接口，速度慢，刷屏閃屏。玩STM32常用的TFT lcd屏幕驅(qū)動IC通常有：ILI9341/ILI9325等。
tft lcd：

IPS：

COG lcd很多人可能不知道COG LCD是什么，我覺得跟現(xiàn)在開發(fā)板銷售方向有關系，大家都出大屏，玩酷炫界面，對于更深的技術，例如軟件架構設計，都不涉及。使用單片機的產(chǎn)品，COG LCD其實占比非常大。COG是Chip On Glass的縮寫，就是驅(qū)動芯片直接綁定在玻璃上，透明的。實物像下圖：

這種LCD通常像素不高，常用的有128X64，128X32。一般只支持黑白顯示，也有灰度屏。
接口通常是SPI，I2C。也有號稱支持8位并口的，不過基本不會用，3根IO能解決的問題，沒必要用8根吧？常用的驅(qū)動IC：STR7565。
OLED lcd買過開發(fā)板的應該基本用過。新技術，大家都感覺高檔，在手環(huán)等產(chǎn)品常用。OLED目前屏幕較小，大一點的都很貴。在控制上跟COG LCD類似，區(qū)別是兩者的顯示方式不一樣。從我們程序角度來看，最大的差別就是，OLED LCD，不用控制背光。。。。。實物如下圖：

常見的是SPI跟I2C接口。常見驅(qū)動IC：SSD1615。
硬件場景接下來的討論，都基于以下硬件信息：
1、有一個TFT屏幕，接在硬件的FSMC接口，什么型號屏幕？不知道。
2、有一個COG lcd，接在幾根普通IO口上，驅(qū)動IC是STR7565，128X32像素。
3、有一個COG LCD，接在硬件SPI3跟幾根IO口上，驅(qū)動IC是STR7565，128x64像素。
4、有一個OLED LCD，接在SPI3上，使用CS2控制片選，驅(qū)動IC是SSD1315。

預備知識在進入討論之前，我們先大概說一下下面幾個概念，對于這些概念，如果你想深入了解，請GOOGLE。
面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο�，是編程界的一個概念。什么叫面向?qū)ο竽�？編程有兩種要素：程序（方法），數(shù)據(jù)（屬性）。例如：一個LED，我們可以點亮或者熄滅它，這叫方法。LED什么狀態(tài)？亮還是滅？這就是屬性。我們通常這樣編程：
u8 ledsta = 0;
void ledset(u8 sta)
{
}
這樣的編程有一個問題，假如我們有10個這樣的LED，怎么寫？這時我們可以引入面向?qū)ο缶幊�，將每一個LED封裝為一個對象�？梢赃@樣做：
/*
定義一個結構體，將LED這個對象的屬性跟方法封裝。
這個結構體就是一個對象。
但是這個不是一個真實的存在，而是一個對象的抽象。
*/
typedef struct{
u8 sta;
void (*setsta)(u8 sta);
}LedObj;
/*  聲明一個LED對象，名稱叫做LED1，并且實現(xiàn)它的方法drv_led1_setsta*/
void drv_led1_setsta(u8 sta)
{
}
LedObj LED1={
      .sta = 0,
      .setsta = drv_led1_setsta,
};
/*  聲明一個LED對象，名稱叫做LED2，并且實現(xiàn)它的方法drv_led2_setsta*/
void drv_led2_setsta(u8 sta)
{
}
LedObj LED2={
      .sta = 0,
      .setsta = drv_led2_setsta,
};

/*  操作LED的函數(shù)，參數(shù)指定哪個led*/
void ledset(LedObj *led, u8 sta)
{
led->setsta(sta);
}
是的，在C語言中，實現(xiàn)面向?qū)ο蟮氖侄尉褪墙Y構體的使用。上面的代碼，對于API來說，就很友好了。操作所有LED，使用同一個接口，只需告訴接口哪個LED。大家想想，前面說的LCD硬件場景。4個LCD，如果不面向?qū)ο螅?strong>「顯示漢字的接口是不是要實現(xiàn)4個」？每個屏幕一個？
驅(qū)動與設備分離如果要深入了解驅(qū)動與設備分離，請看LINUX驅(qū)動的書籍。
什么是設備？我認為的設備就是「屬性」，就是「參數(shù)」，就是「驅(qū)動程序要用到的數(shù)據(jù)和硬件接口信息」。那么驅(qū)動就是「控制這些數(shù)據(jù)和接口的代碼過程」。
通常來說，如果LCD的驅(qū)動IC相同，就用相同的驅(qū)動。有些不同的IC也可以用相同的，例如SSD1315跟STR7565，除了初始化，其他都可以用相同的驅(qū)動。例如一個COG lcd:
?驅(qū)動IC是STR7565 128 * 64 像素用SPI3背光用PF5 ,命令線用PF4 ,復位腳用PF3
! t& A- s! L2 p( [?上面所有的信息綜合，就是一個設備。驅(qū)動就是STR7565的驅(qū)動代碼。
為什么要驅(qū)動跟設備分離，因為要解決下面問題：
?有一個新產(chǎn)品，收銀設備。系統(tǒng)有兩個LCD，都是OLED，驅(qū)動IC相同，但是一個是128x64，另一個是128x32像素，一個叫做主顯示，收銀員用；一個叫顧顯，顧客看金額。' L$ a* M- n9 ]2 Y4 o9 y! K; l, D
?這個問題，「兩個設備用同一套程序控制」才是最好的解決辦法。驅(qū)動與設備分離的手段：
?在驅(qū)動程序接口函數(shù)的參數(shù)中增加設備參數(shù)，驅(qū)動用到的所有資源從設備參數(shù)傳入。
% a2 ~9 g$ M& d) @' Q! l?驅(qū)動如何跟設備綁定呢？通過設備的驅(qū)動IC型號。
模塊化我認為模塊化就是將一段程序封裝，提供穩(wěn)定的接口給不同的驅(qū)動使用。不模塊化就是，在不同的驅(qū)動中都實現(xiàn)這段程序。例如字庫處理，在顯示漢字的時候，我們要找點陣，在打印機打印漢字的時候，我們也要找點陣，你覺得程序要怎么寫？把點陣處理做成一個模塊，就是模塊化。非模塊化的典型特征就是「一根線串到底，沒有任何層次感」。
LCD到底是什么前面我們說了面向?qū)ο�，現(xiàn)在要對LCD進行抽象，得出一個對象，就需要知道LCD到底是什么。問自己下面幾個問題：

LCD能做什么？

要LCD做什么？

誰想要LCD做什么？剛剛接觸嵌入式的朋友可能不是很了解，可能會想不通。我們模擬一下LCD的功能操作數(shù)據(jù)流。APP想要在LCD上顯示一個漢字。
1、首先，需要一個顯示漢字的接口，APP調(diào)用這個接口就可以顯示漢字，假設接口叫做lcd_display_hz。
2、漢字從哪來？從點陣字庫來，所以在lcd_display_hz函數(shù)內(nèi)就要調(diào)用一個叫做find_font的函數(shù)獲取點陣。
3、獲取點陣后要將點陣顯示到LCD上，那么我們調(diào)用一個ILL9341_dis的接口，將點陣刷新到驅(qū)動IC型號為ILI9341的LCD上。
4、ILI9341_dis怎么將點陣顯示上去？調(diào)用一個8080_WRITE的接口。
好的，這個就是大概過程，我們從這個過程去抽象LCD功能接口。漢字跟LCD對象有關嗎？無關。在LCD眼里，無論漢字還是圖片，都是一個個點。那么前面問題的答案就是：

LCD可以一個點一個點顯示內(nèi)容。

要LCD顯示漢字或圖片-----就是顯示一堆點

APP想要LCD顯示圖片或文字。結論就是：所有LCD對象的功能就是顯示點。「那么驅(qū)動只要提供顯示點的接口就可以了，顯示一個點，顯示一片點�！� 抽象接口如下：
/*
LCD驅(qū)動定義
*/
typedef struct
{
u16 id;
s32 (*init)(DevLcd *lcd);
s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);
s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);
s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);
s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);
s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);
void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);
void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);
}_lcd_drv;
上面的接口，也就是對應的驅(qū)動，包含了一個驅(qū)動id號。

id，驅(qū)動型號

初始化

畫點

將一片區(qū)域的點顯示某種顏色

將一片區(qū)域的點顯示某些顏色

顯示開關

準備刷新區(qū)域（主要彩屏直接DMA刷屏使用）

設置掃描方向

背光控制顯示字符，劃線等功能，不屬于LCD驅(qū)動。應該歸類到GUI層。
LCD驅(qū)動框架我們設計了如下的驅(qū)動框架：

設計思路：
1、中間顯示驅(qū)動IC驅(qū)動程序提供統(tǒng)一接口，接口形式如前面說的_lcd_drv結構體。
2、各顯示IC驅(qū)動根據(jù)設備參數(shù)，調(diào)用不同的接口驅(qū)動。例如TFT就用8080驅(qū)動，其他的都用SPI驅(qū)動。SPI驅(qū)動只有一份，用IO口控制的我們也做成模擬SPI。
3、LCD驅(qū)動層做LCD管理，例如完成TFT LCD的識別。并且將所有LCD接口封裝為一套接口。
4、簡易GUI層封裝了一些顯示函數(shù)，例如劃線、字符顯示。
5、字體點陣模塊提供點陣獲取與處理接口。
由于實際沒那么復雜，在例程中我們將GUI跟LCD驅(qū)動層放到一起。TFT LCD的兩個驅(qū)動也放到一個文件，但是邏輯是分開的。OLED除初始化，其他接口跟COG LCD基本一樣，因此這兩個驅(qū)動也放在一個文件。
代碼分析代碼分三層：
1、GUI和LCD驅(qū)動層 dev_lcd.c dev_lcd.h
2、顯示驅(qū)動IC層 dev_str7565.c & dev_str7565.h dev_ILI9341.c & dev_ILI9341.h
3、接口層 mcu_spi.c & mcu_spi.h stm324xg_eval_fsmc_sram.c & stm324xg_eval_fsmc_sram.h
GUI和LCD層這層主要有3個功能：
「1、設備管理」
首先定義了一堆LCD參數(shù)結構體，結構體包含ID，像素。并且把這些結構體組合到一個list數(shù)組內(nèi)。
/*  各種LCD的規(guī)格參數(shù)*/
_lcd_pra LCD_IIL9341 ={
      .id = 0x9341,
      .width = 240, //LCD 寬度
      .height = 320,  //LCD 高度
};
...
/*各種LCD列表*/
_lcd_pra *LcdPraList[5]=
         {
            &LCD_IIL9341,
            &LCD_IIL9325,
            &LCD_R61408,
            &LCD_Cog12864,
            &LCD_Oled12864,
         };
然后定義了所有驅(qū)動list數(shù)組，數(shù)組內(nèi)容就是驅(qū)動，在對應的驅(qū)動文件內(nèi)實現(xiàn)。
/*  所有驅(qū)動列表
驅(qū)動列表*/
_lcd_drv *LcdDrvList[] = {
                  &TftLcdILI9341Drv,
                  &TftLcdILI9325Drv,
                  &CogLcdST7565Drv,
                  &OledLcdSSD1615rv,
定義了設備樹，即是定義了系統(tǒng)有多少個LCD，接在哪個接口，什么驅(qū)動IC。如果是一個完整系統(tǒng)，可以做成一個類似LINUX的設備樹。
/*設備樹定義*/
#define DEV_LCD_C 3//系統(tǒng)存在3個LCD設備
LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
{
{"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},
{"coglcd", LCD_BUS_SPI,  0X7565},
{"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
};
「2 、接口封裝」
void dev_lcd_setdir(DevLcd *obj, u8 dir, u8 scan_dir)
s32 dev_lcd_init(void)
DevLcd *dev_lcd_open(char *name)
s32 dev_lcd_close(DevLcd *dev)
s32 dev_lcd_drawpoint(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color)
s32 dev_lcd_prepare_display(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey)
s32 dev_lcd_display_onoff(DevLcd *lcd, u8 sta)
s32 dev_lcd_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color)
s32 dev_lcd_color_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 color)
s32 dev_lcd_backlight(DevLcd *lcd, u8 sta)
大部分接口都是對驅(qū)動IC接口的二次封裝。有區(qū)別的是初始化和打開接口。初始化，就是根據(jù)前面定義的設備樹，尋找對應驅(qū)動，找到對應設備參數(shù)，并完成設備初始化。打開函數(shù)，根據(jù)傳入的設備名稱，查找設備，找到后返回設備句柄，后續(xù)的操作全部需要這個設備句柄。
「3 、簡易GUI層」
目前最重要就是顯示字符函數(shù)。
s32 dev_lcd_put_string(DevLcd *lcd, FontType font, int x, int y, char *s, unsigned colidx)
其他劃線畫圓的函數(shù)目前只是測試，后續(xù)會完善。
驅(qū)動IC層驅(qū)動IC層分兩部分：
「1 、封裝LCD接口」
LCD有使用8080總線的，有使用SPI總線的，有使用VSPI總線的。這些總線的函數(shù)由單獨文件實現(xiàn)。但是，除了這些通信信號外，LCD還會有復位信號，命令數(shù)據(jù)線信號，背光信號等。我們通過函數(shù)封裝，將這些信號跟通信接口一起封裝為「LCD通信總線」，也就是buslcd。BUS_8080在dev_ILI9341.c文件中封裝。BUS_LCD1和BUS_lcd2在dev_str7565.c 中封裝。
「2 驅(qū)動實現(xiàn)」
實現(xiàn)_lcd_drv驅(qū)動結構體。每個驅(qū)動都實現(xiàn)一個，某些驅(qū)動可以共用函數(shù)。
_lcd_drv CogLcdST7565Drv = {
                        .id = 0X7565,
                        .init = drv_ST7565_init,
                        .draw_point = drv_ST7565_drawpoint,
                        .color_fill = drv_ST7565_color_fill,
                        .fill = drv_ST7565_fill,
                        .onoff = drv_ST7565_display_onoff,
                        .prepare_display = drv_ST7565_prepare_display,
                        .set_dir = drv_ST7565_scan_dir,
                        .backlight = drv_ST7565_lcd_bl
                        };
接口層8080層比較簡單，用的是官方接口。SPI接口提供下面操作函數(shù)，可以操作SPI，也可以操作VSPI。
extern s32 mcu_spi_init(void);
extern s32 mcu_spi_open(SPI_DEV dev, SPI_MODE mode, u16 pre);
extern s32 mcu_spi_close(SPI_DEV dev);
extern s32 mcu_spi_transfer(SPI_DEV dev, u8 *snd, u8 *rsv, s32 len);
extern s32 mcu_spi_cs(SPI_DEV dev, u8 sta);
至于SPI為什么這樣寫，會有一個單獨文件說明。
總體流程前面說的幾個模塊時如何聯(lián)系在一起的呢？請看下面結構體：
/*  初始化的時候會根據(jù)設備數(shù)定義，
并且匹配驅(qū)動跟參數(shù)，并初始化變量。
打開的時候只是獲取了一個指針 */
struct _strDevLcd
{
s32 gd;//句柄，控制是否可以打開
LcdObj *dev;
/* LCD參數(shù)，固定，不可變*/
_lcd_pra *pra;
/* LCD驅(qū)動 */
_lcd_drv *drv;
/*驅(qū)動需要的變量*/
u8  dir; //橫屏還是豎屏控制：0，豎屏；1，橫屏。
u8  scandir;//掃描方向
u16 width;  //LCD 寬度
u16 height; //LCD 高度
void *pri;//私有數(shù)據(jù)，黑白屏跟OLED屏在初始化的時候會開辟顯存
};
每一個設備都會有一個這樣的結構體，這個結構體在初始化LCD時初始化。

成員dev指向設備樹，從這個成員可以知道設備名稱，掛在哪個LCD總線，設備ID。typedef struct
{
char *name;//設備名字
LcdBusType bus;//掛在那條LCD總線上
u16 id;
}LcdObj;

成員pra指向LCD參數(shù)，可以知道LCD的規(guī)格。typedef struct
{
u16 id;
u16 width; //LCD 寬度豎屏
u16 height; //LCD 高度豎屏
}_lcd_pra;

成員drv指向驅(qū)動，所有操作通過drv實現(xiàn)。typedef struct
{
u16 id;
s32 (*init)(DevLcd *lcd);
s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);
s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);
s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);
s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);
s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);
void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);
void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);
}_lcd_drv;

成員dir、scandir、 width、 height是驅(qū)動要使用的通用變量。因為每個LCD都有一個結構體，一套驅(qū)動程序就能控制多個設備而互不干擾。

成員pri是一個私有指針，某些驅(qū)動可能需要有些比較特殊的變量，就全部用這個指針記錄，通常這個指針指向一個結構體，結構體由驅(qū)動定義，并且在設備初始化時申請變量空間。目前主要用于COG LCD跟OLED LCD顯示緩存。整個LCD驅(qū)動，就通過這個結構體組合在一起。
1、初始化，根據(jù)設備樹，找到驅(qū)動跟參數(shù)，然后初始化上面說的結構體。
2、要使用LCD前，調(diào)用dev_lcd_open函數(shù)。打開成功就返回一個上面的結構體指針。
3、顯示字符，接口找到點陣后，通過上面結構體的drv，調(diào)用對應的驅(qū)動程序。
4、驅(qū)動程序根據(jù)這個結構體，決定操作哪個LCD總線，并且使用這個結構體的變量。
用法和好處

好處1請看測試程序
void dev_lcd_test(void)
{
DevLcd *LcdCog;
DevLcd *LcdOled;
DevLcd *LcdTft;
/*  打開三個設備 */
LcdCog = dev_lcd_open("coglcd");
if(LcdCog==NULL)
      uart_printf("open cog lcd err\r
");
LcdOled = dev_lcd_open("oledlcd");
if(LcdOled==NULL)
      uart_printf("open oled lcd err\r
");
LcdTft = dev_lcd_open("tftlcd");
if(LcdTft==NULL)
      uart_printf("open tft lcd err\r
");
/*打開背光*/
dev_lcd_backlight(LcdCog, 1);
dev_lcd_backlight(LcdOled, 1);
dev_lcd_backlight(LcdTft, 1);
dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc，", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "這是oled lcd", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc，", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "這是cog lcd", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);
dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,30, "ABC-abc，", RED);
dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,60, "這是tft lcd", RED);
dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,100, "www.wujique.com", RED);
dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,150, "屋脊雀工作室", RED);
while(1);
}
使用一個函數(shù)dev_lcd_open，可以打開3個LCD，獲取LCD設備。然后調(diào)用dev_lcd_put_string就可以在不同的LCD上顯示。其他所有的gui操作接口都只有一個。這樣的設計對于APP層來說，就很友好。顯示效果：

好處2現(xiàn)在的設備樹是這樣定義的
LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
{
{"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},
{"coglcd", LCD_BUS_SPI, 0X7565},
{"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
};
某天，oled lcd要接到SPI上，只需要將設備樹數(shù)組里面的參數(shù)改一下，就可以了，當然，在一個接口上不能接兩個設備。
LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
{
{"oledlcd", LCD_BUS_SPI, 0X1315},
{"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
};
字庫暫時不做細說，例程的字庫放在SD卡中，各位移植的時候根據(jù)需要修改。具體參考font.c。
聲明代碼請按照版權協(xié)議使用。當前源碼只是一個能用的設計，完整性與健壯性尚未測試。后續(xù)會放到github，并且持續(xù)更新優(yōu)化。最新消息請關注www.wujique.com。
-END-
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