Introducción a La Arquitectura de Computadoras

ARQUITECTURA DE COMPUTADORASIC-3101

Escuela de Computación

Carrera de Ingeniería de Computación, Plan 410.

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PRESENTACIÓN DE LA PROFESORA

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DATOS DE LA PROFESORA Nombre:

Rocío Quirós Oviedo Correos electrónicos:

[email protected] [email protected]

Teléfono: 2401-30-48

Horario de Consulta: Lunes de 7:00 a.m. a 9:45 a.m. Martes 12:30p.m. a 2:20 p.m. Viernes 12:30p.m. a 4:00 p.m.

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mailto:[email protected]






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PRESENTACIÓN DE LOS ESTUDIANTES

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¿Expectativas respecto al curso?

TEMAS:

Presentación del curso Presentación del Alumnos y Profesor Analizar la temática del curso y la matriz de

congruencia Tema: Semana 1 – Preámbulo en torno al

funcionamiento del Computador

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¿POR QUÉ ESTUDIAR ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS?

Para comprender los problemas fundamentales en el diseño de computadoras, las alternativas y los mecanismos de solución a dichos problemas.

Comprender los retos que enfrenta esta área es de primordial importancia para cualquiera que pretenda dedicarse profesionalmente a la ciencia de la computación o carreras afines.

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¿POR QUÉ ESTUDIAR ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS? (CONTINUACIÓN)

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•Diseñar mejores programas:•Compiladores, sistemas operativos, y

drivers•Optimizar programas•Construir computadoras•Evaluar su desempeño•Entender los “compromisos” entre poder de

cómputo, espacio y costos

¿QUÉ CONOCIMIENTOS REQUIERE EL ESTUDIANTE EN ESTE CURSO?

Dominio básico del lenguaje ensamblador y de la arquitectura del procesador 8086 de Intel.

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Dominio de los sistemas numéricos binario, octal, hexadecimal y decimal.• Conversiones.• Interpretación de números en cualquiera de estas bases.

Dominio básico de algebra booleana:• Operaciones AND, OR, XOR, NOT.• Simplificación algebraica: teoremas de asociatividad, conmutatividad,

distribución, DeMorgan.

1

2

3

¿CUÁLES SON LOS CONOCIMIENTOS QUE EL ESTUDIANTE DEBE TENER AL LLEGAR AL CURSO?

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Conocer algún lenguaje de programación de alto/mediano nivel, por ejemplo: C++, C#, JAVA, otros.

Disposición hacia la investigación. Actitudes para indagar acerca de diversas temáticas, y partir de ellas formular criterios y establecer soluciones/cursos de acción.

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6

¿QUÉ VAMOS A APRENDER/ANALIZAR EN EL CURSO?

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Conceptos relacionados con la arquitectura del PC: componentes, funcionamiento, programación

Ensamblaje y Desensamblaje de Instrucciones en EnsambladorTemas diversos

Pipelining Procesadores de Alto Rendimiento Programación paralela Principios de Microcontroladores (Arduino)

¿QUÉ VAMOS A APRENDER/ANALIZAR EN EL CURSO?

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Temas diversosConceptos sobre Arquitecturas CISC y RISCDiseño de la Jerarquía de MemoriasDispositivos de E/STecnologías de procesamiento gráficoAplicaciones del lenguaje ensambladorDispositivos empotradosAspectos relacionados con otros paradigmas de computación, por ejemplo: computación cuántica

ORGANIZACIÓN VS. ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

¿Qué es arquitectura de computadoras? ¿Qué es organización de computadoras?

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ORGANIZACIÓN VS. ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS (CONTINUACIÓN)

Arquitectura Se refiere a los atributos de un sistema que son

visibles a un programador Aquellos atributos que tienen un impacto

directo en la ejecución lógica de un programaLa computadora vista desde el programador¿Qué instrucciones y datos es capaz de

procesar? ¿A qué velocidad?

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Organización Se refiere a las unidades funcionales y sus interconexiones,

que dan lugar a especificaciones arquitectónicas.

Como por ejemplo el conjunto de instrucciones, el número de bits usados para representar varios tipos de datos, mecanismos de E/S y técnicas para direccionamiento de memoria.

Es transparente a el programador, este no se preocupa por estos temas, señales del bus de control, interfaces entre periféricos y computador, tecnología usada en memoria, cantidad de caches, otros

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Organización En general los fabricantes de máquinas producen

familias de PC’s con una misma arquitectura y a medida que pasa el tiempo salen nuevos modelos con la misma arquitectura, pero con una organización diferente, con lo cual logran una compatibilidad de software.

¿Cómo está organizada por dentro para procesar esos datos según esas instrucciones?

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Arquitectura: atributos visibles al programador Set de instrucciones, bits utilizados para

representar los datos, mecanismos de direccionamiento, entrada y salida, etc.

Organización: cómo se implementan Señales de control, tecnología de la memoria Ejemplos:

¿Las instrucciones las ejecuta directo el hardware o son interpretadas por microprogramas?

¿La multiplicación es realizada directamente por un componente o se realizan muchas sumas?

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ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS, PERSPECTIVA

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NIVELES DE REPRESENTACIÓN

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MODELO DE VON NEUMANN Conceptos, principios21

ENIAC

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MODELO DE VON NEUMANN

23

https://www.youtube.com/watch?v=ukjiTrIVvtQ

ESTRUCTURA DE UNA MAQUINA MODELO DE VON NEUMANN

CPU: Unidad de Procesamiento Central

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MODELO DE VON NEUMANN Unidad de Control:

Controla todos los componentes. Interpreta instrucciones.

Decodifica y ejecuta Transforma a ordenes

Unidad de Aritmético Logica (ALU): Realiza operaciones matemáticas y lógicas.

Sumas, restas, multiplicaciones y divisiones. AND, OR, NOT, XOR

CPU: Registros:

Almacenan datos binarios De propósito general (programas) Específicos (Contador del programa)

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LO QUE VE UN ARQUITECTO DE COMPUTADORES

La gran mayoría de las computadores actuales se han diseñado basándose en los conceptos desarrollados por John Von Neumann en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton:

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Se basa en 3 componentes

Los datos y las instrucciones se almacenan

en una sola memoria de lectura y escritura

Los contenidos de esta memoria se direccionan

indicando su posición, sin considerar el tipo de dato contenido en la misma.

La ejecución se produce siguiendo una secuencia de

instrucción tras instrucción ( a no ser que dicha secuencia se

modifique explícitamente).

COMPONENTES DEL COMPUTADOR – HARDWARE ESPECÍFICO

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En este diagrama se ejemplifica como el computador realizaba una tarea fija con los datos, el sistema acepta datos y produce resultados

COMPONENTES DEL COMPUTADOR - HARDWARE DE USO GENERAL

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En este diagrama vemos ejemplificado que por medio de instrucciones al procesador, se podía hacer que el computador sea de uso general y realizar distintas tareas. El sistema acepta datos y señales de control y produce resultados


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Como se puede apreciar, la memoria y los datos provienen de la misma memoria. La idea es la siguiente, se leía una instrucción, esta pasaba a la unidad de control, dicha unidad realizaba las conexiones correspondientes para que la ALU realizara una tarea determinada, entraban los datos a la ALU, esta realizaba las operaciones, y el resultado salía por algún dispositivo de E/S


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CPU

Interprete de instrucciones

Funciones lógicas y

aritméticas de uso general

PANORAMA ACTUAL Y PROYECCIÓNTecnologías de procesamiento31

LEY DE MOORE

La Ley de Moore, indica que cada 18 meses aproximadamente, el número de transistores en un circuito integrado se duplica, y su costo se reduce.

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http://www.intel.com/content/www/us/en/silicon-innovations/moores-law-technology.html

LEY DE MOORE

33

TECNOLOGÍAS DE PROCESAMIENTO

34

https://www.youtube.com/watch?v=rLLfmnnXXj8&list=PL4D2Wx3EeUrhzu1-R5Gh1-lPHsdEEwrfG

COMPONENTES DEL COMPUTADORHardware de uso general 35


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Interprete de instrucciones y módulo de uso general para las funciones aritmético y lógicas

Contador del programa (PC) o

Puntero de instrucciones indica la posición donde está el procesador en su secuencia de

instrucciones.

COMPONENTES DEL COMPUTADOR - HARDWARE DE USO GENERAL (CONTINUACIÓN)

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Registro de Instrucción (IR) se almacena la instrucción que

se está ejecutando.

Unidad funcional o unidad de ejecución

realiza las operaciones y cálculos llamados por

los programas.


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Para esto usualmente utilizan dos registros internos de la CPU

Registro temporal de memoria (buffer)

contiene el valor a almacenar o la palabra recibida de memoria.

Registro de dirección de Memoria

Especifica la dirección de memoria que será accedida.

CPU

Como interactúan todos los componentes


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Igualmente un registro de direcciones de E/S especifica un dispositivo de entrada y salida

Registro de dirección E/SEspecifica un

dispositivo de E/SRegistro de datos

E/SSe utiliza para

intercambiar datos entre el módulo de E/S

y la CPU

CPU


(CONTINUACIÓN)

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Además se requieren varios elementos adicionales para que el computador funcione.Ya que los datos y las instrucciones deben introducirse en el sistema, para eso se necesita algún tipo de módulo de entrada y también se necesita un medio para proporcionar resultados el módulo de salida. E/S Modulo


(CONTINUACIÓN)

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Se necesita un componente más, como sabemos un programa no siempre ejecuta las instrucciones según una misma secuencia, puede saltarse ciertas instrucciones. Por ello debe existir un sitio para almacenar temporalmente tanto las instrucciones como los datos.

MEMORIA PRINCIPAL


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CPUSe encarga del

control

Intercambia datos con la memoria


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Un módulo de E/S transfiere datos desde los dispositivos externos a la CPU y a la memoria. Contiene los registros (buffers) internos para almacenar los datos temporalmente, hasta que puedan enviarse

FUNCIONAMIENTO DE UN COMPUTADOREjecución de instrucciones 44

FUNCIONAMIENTO DEL COMPUTADOR

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La función básica que realiza un computador es la ejecución de un programa, constituidos por un conjunto de instrucciones almacenados en memoria.

El procesador es el que se encarga de ejecutar las instrucciones especificadas en el programa.

FUNCIONAMIENTO DEL COMPUTADORCICLOS DE BÚSQUEDA Y EJECUCIÓN

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LA EJECUCIÓN DE UN PROGRAMA CONSTA DE DOS CICLOS

CICLOS DE BÚSQUEDA

El procesador lee la instrucción de la memoria

CICLOS DE EJECUCIÓN

El procesador ejecuta la instrucción

La ejecución de un programa consiste en la repetición del proceso de búsqueda y ejecución de instrucción


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Búsqueda (también conocida como captación) Preparación de la siguiente instrucción Decodificación Ejecución

La ejecución del programa se detiene solo si la maquina se desconecta, se produce algún tipo de error irrecuperable o ejecuta una instrucción del programa que detiene al computador


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Como se dijo anteriormente la CPU interpreta la instrucción y lleva a cabo la acción requerida. En general, esta puede ser de 4 tipos:

1. Procesador – Memoria : Transferencia de datos desde o hacia memoria.

2. Procesador – E/S: Transferencia de datos desde o hacia el exterior a través de un modulo de E/S.

3. Procesamiento de Datos: Alguna operación aritmética o lógica con los datos.

4. Control: Una instrucción puede especificar que la secuencia de ejecución se altere

• Por ejemplo una instrucción de salto, que lo único que requiere es que se cambie el valor del registro PC

Las instrucciones requieren una combinación de algunas.


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Al comienzo de cada ciclo de instrucción la CPUcapta la instrucción de memoria

Se utiliza PC para seguir la pista de la instrucción que debe captarse a continuación. A no ser que se indique lo contrarioLa CPU siempre incrementa 1 a PC después de cada instrucción , de forma que captará la siguiente instrucción de secuencia

FUNCIONAMIENTO DEL COMPUTADORCICLO DE INSTRUCCIÓN

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1. Recuperar la siguienteinstrucción desdememoria (apuntada por el program counter) y luego incrementar el program counter.

3. Ejecutar la instrucciónindicada en el registro deinstrucción IR

2. Decodificar el patrón de bits en el registro deinstrucción IR

FUNCIONAMIENTO DEL COMPUTADORCICLO DE EJECUCIÓN

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1. UC obtiene la próxima instrucción de memoria (usando el registro PC)

2. Se incrementa el PC3. La instrucción es decodificada a un lenguaje que entiende

la ALU4. Obtiene de memoria los operandos requeridos por la

operación5. La ALU ejecuta y deja los resultados en registros o en

memoria6. Repetir paso 1

FUNCIONAMIENTO DEL COMPUTADORCICLO DE EJECUCIÓN (CONTINUACIÓN)

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La unidad de control levanta la próxima instrucción de memoria usando el “contador de programa” que dice en que dirección esta la próxima instrucción.


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La instrucción es decodificada a un lenguaje que entiende la ALU (unidad aritmética lógica).


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Cada operando requerido para ejecutar es levantado de la memoria principal y ubicado en registros dentro de la CPU.


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La ALU ejecuta la instrucción y coloca los resultados en registros o en memoria.


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Procesador-memoriaTransferencia de datos entre la CPU y la memoriaProcesador-E/STransferencia de datos entre la CPU y un modulo de E/SProcesamiento de datosAlguna operación aritmética o lógica sobre los datosControl

Alteración de la secuencia de operaciones Ej.: jump

¿CUALES ERAN LOS TIPOS DE OPERACIONES?

Recién los analizamos…


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OPERACIONES ELEMENTALES SOBRE LA MEMORIA

LEER EL CONTENIDO DE LA MEMORIA1. Decidir que celda se va leer (dar la dirección).2. Esperar a que se complete la operación de copia del dato.3. Recoger el dato y dar por terminada la operación.

ESCRITURA4. Proporcionar el dato que se desea guardar.5. Proporcionar la dirección de la celda en donde sería guardado el

dato.6. Esperar un tiempo fijo para que se haga el almacenamiento.

FUNCIONAMIENTO DEL COMPUTADORCICLOS DE BÚSQUEDA Y EJECUCIÓN (CONTINUACIÓN)

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• Un problema radica en cómo almacenar las instrucciones en la memoria.

• Como en las celdas de memoria sólo caben números, entonces había que traducir las instrucciones a números para poder almacenarlas, que es el concepto de codificación.

• Para codificar las instrucciones se debe considerar cuantas y cuales son las instrucciones disponibles y que esquema de codificación se emplearía.

• La cantidad depende básicamente de la capacidad de la unidad de control del procesador central para hacer operaciones; a mayor complejidad –y costo–, mayor sería el número de instrucciones diferentes que podría efectuar. Se debe encontrar un código adecuado para que a cada instrucción le corresponda uno, y sólo un, valor numérico. Se usa una especie de diccionario electrónico.

NECESIDAD DE LA CODIFICACIÓN


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Su función principal es dirigir la secuencia de pasos de modo que la computadora lleve a cabo un ciclo completo de ejecución de una instrucción, y hacer esto con todas las instrucciones de que conste el programa. Los pasos son:

1. Ir a la memoria y extraer el código de la siguiente instrucción (que estaría en la siguiente celda de memoria por leer).

2. Decodificar la instrucción recién leída (determinar de qué instrucción se trata.

3. Ejecutar la instrucción.4. Prepararse para leer la siguiente instrucción, y volver al primer paso

para continuar.La unidad de control ejecutaría varias veces este ciclo de cuatro ”instrucciones alambradas”.

LA UNIDAD DE CONTROL

PARA FINALIZAR…

Ejemplo básico del ciclo de búsqueda y captación de instrucciones

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61

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 10 0 0 3

0 0 0 2

300

1 9 4 0

300

301

302

940

941

Registros del CPUMemoria

PC

AC

IR

Códigos de operación

hexadecimal

binario

1 0001 Cargar AC desde memoria

2 0010 Almacenar AC en memoria

5 0101 Sumar a AC un dato de memoria


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1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

300

1 9 4 0

300

301

302

940

941


PC

AC

IR


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1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

300

301

302

940

941

MemoriaEspecifica la dirección del dato que se va a

cargar

940 contiene el dato 0003


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1. La instrucción captada se almacena en un registro de la CPU conocido como Registro de instrucción IR

2. El contador del PC se ubica en la primera instrucción (300)

3. La instrucción que es un valor hexadecimal (1940) se carga en el registro de instrucción

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

300

1 9 4 0

300

301

302

940

941


PC

AC

IR


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1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

300

0 0 0 3

1 9 4 0

300

301

302

940

941


PC

AC

IR

La CPU interpreta la instrucción y lleva a cabo la acción requerida


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1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

301

0 0 0 3

5 9 4 1

300

301

302

940

941


PC

AC

IR

El registro PC se incrementa, y se capta la siguiente instrucción (5941) desde la dirección 301


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1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

301

0 0 0 5

5 9 4 1

300

301

302

940

941


PC

AC

IR

3 + 2 = 5

El contenido de AC y el de la posición de memoria 941 se suman y el resultado se almacena en AC


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1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

302

0 0 0 5

2 9 4 1

300

301

302

940

941


PC

AC

IR

El registro PC se incrementa, y se capta la siguiente instrucción (2941) desde la posición 302


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1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 5

302

0 0 0 5

2 9 4 1

300

301

302

940

941


PC

AC

IR

El contenido de AC se almacena en la posición 941


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PRÁCTICA #1

71

1 920

5 918

5 921

2 918...

0 0 0 3

0 0 0 2

0 0 0 4

0 0 0 2

523

524

525

526...

918

919

920

921

Registros del CPU

Memoria

PC

AC

IR

Códigos de operación

hexadecimal

binario

1 0001 Cargar AC desde memoria

2 0010 Almacenar AC en memoria

5 0101 Sumar a AC un dato de memoria

?

Realice el proceso completo del ciclo de búsqueda y ejecución

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Ensamblador Linker Loader Lenguajes de Alto nivel Simuladores Relación con Sistema Operativo

72

¡MUCHAS GRACIAS!

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