食堂刷卡機(jī)怎么查記錄

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1、食堂刷卡機(jī)怎么查記錄

食堂刷卡機(jī)怎么查記錄

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這個(gè)情形，有一點(diǎn)像是RFID芯片在發(fā)電報(bào)。讀卡機(jī)根據(jù)周邊電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化情況，就可以知道RFID中的芯片在“說(shuō)”什么了。有了RFID技術(shù)，刷卡上車(chē)，刷卡進(jìn)站，刷卡開(kāi)門(mén)這些我們生活中常見(jiàn)的事情才成為可能。想要明白R(shí)FID技術(shù)的原理和“進(jìn)化”過(guò)程，我們得從摩爾斯電碼說(shuō)起。

（圖源：flickr.com）

撰文 | 吳進(jìn)遠(yuǎn)

前兩年，有位朋友告訴我，她兒子著迷摩爾斯電碼。我很好奇，在電腦手機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，他是怎么知道摩爾斯電碼的？后來(lái)我看了一部諜戰(zhàn)電視劇才知道出處，那里面的女主角認(rèn)真而又神秘地說(shuō)，趕快把情報(bào)用摩爾斯電碼發(fā)給上級(jí)。

我們這篇文章，就聊聊摩爾斯電碼，以及其他的一些碼。首先，我們需要理清一個(gè)可能由聽(tīng)覺(jué)引起的誤導(dǎo)，摩爾斯是個(gè)姓，這個(gè)摩和魔法魔術(shù)魔力的魔沒(méi)有關(guān)系，正如姓孫和太陽(yáng)沒(méi)有關(guān)系，姓何或者姓佘與“他”或者“她”沒(méi)有關(guān)系一樣。因此，摩爾斯電碼盡管很重要，但并不像諜戰(zhàn)劇女主角暗示的那樣神秘，摩爾斯電碼本身甚至連密碼都不是。

為什么要編碼？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，凡是沒(méi)法說(shuō)人話的時(shí)候，就都需要編碼。就說(shuō)打電報(bào)吧，發(fā)電報(bào)的人按下按鍵，收電報(bào)的那一方就聽(tīng)到“嘟”的一聲。那么，怎樣用電報(bào)來(lái)傳遞人話呢？這就需要編碼，而摩爾斯電碼就是這樣一種編碼。

摩爾斯電碼是用按鍵的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)傳遞信息的。按鍵時(shí)間短，稱(chēng)之為點(diǎn)，耳機(jī)里就聽(tīng)到“的（di）”的一聲，而按鍵時(shí)間長(zhǎng)，稱(chēng)之為劃，聽(tīng)起來(lái)就是“噠”的一聲。若干個(gè)“的”或者“噠”排列在一起，就代表一個(gè)字母。有了字母，你就可以傳遞人話了。比如你想說(shuō)“救命啊（SOS）”，你就可以發(fā)“··· — — — ···”。

（圖源：By Rhey T. Snodgrass & Victor F. Camp, 1922- Image:Intcode.png and Image:International Morse Code.PNG, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3902977）

從表中不難看出，不同字母的編碼長(zhǎng)度是不一樣的。大家找找看，最短的編碼是哪個(gè)？沒(méi)錯(cuò)，是E。為什么要把E設(shè)計(jì)成最短的碼呢？因?yàn)镋出現(xiàn)的概率比較高，用比較短的碼來(lái)表示出現(xiàn)頻度高的字符，可以大大提高信息的傳輸效率。

人同此心，心同此理，事實(shí)上，不論古今中外，人們都是這樣做的。比如，《紅樓夢(mèng)》有個(gè)版本叫《脂硯齋重評(píng)石頭記》是手抄本。

抄寫(xiě)的人，就把一些出現(xiàn)概率高的字，用筆畫(huà)較少的字代替。林黛玉的“黛”，用“代”來(lái)代替，省了很多筆。寶玉和寶釵的“寶”，也被寫(xiě)成“寶”（有沒(méi)有聽(tīng)人家嘲笑過(guò)簡(jiǎn)化字：寶無(wú)貝？嘲笑的人請(qǐng)自覺(jué)到脂硯齋的芳冢上壓棺材板）。順便說(shuō)一句，寶這個(gè)字原來(lái)有兩個(gè)寫(xiě)法：寶和寳。學(xué)問(wèn)大的家長(zhǎng)，可以給孩子講講（也順便在文章后面留個(gè)言），這兩個(gè)字的用法有什么不同。

從某種意義上說(shuō)，文字就是一種編碼。我們說(shuō)的人話，沒(méi)有辦法直接記錄到龜殼，獸骨，竹簡(jiǎn)，石碑，錦帛，紙張上，因此就需要用一個(gè)符號(hào)系列來(lái)記錄?；蛘呤怯涗涀x音，比如各種拼音文字，或者是直接記錄事物或動(dòng)作，比如漢字。

當(dāng)電報(bào)出現(xiàn)后，連字母這種人話的編碼都很難傳遞，于是就進(jìn)一步碼上加碼，用按鍵的長(zhǎng)短來(lái)把字母和數(shù)字編碼。

用摩爾斯電碼，我們顯然可以發(fā)送用拉丁字符拼寫(xiě)的信息?？墒?，要想通過(guò)電報(bào)發(fā)送中文信息又該怎么辦呢？在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期中，中文是用從0000到9999這樣的四位數(shù)字編碼的。而發(fā)電報(bào)時(shí)，再用摩爾斯電碼發(fā)送四位一組的數(shù)字串。哪四個(gè)數(shù)字代表哪個(gè)漢字，當(dāng)時(shí)是有一個(gè)全國(guó)通用的編碼本的，這套編碼通常稱(chēng)為明碼。

諜戰(zhàn)劇里發(fā)電報(bào)，想來(lái)多半不會(huì)用明碼，而是收發(fā)雙方各有一本專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)的密碼本，那里面哪個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)哪個(gè)漢字與明碼的規(guī)定是不同的。這樣的電報(bào)，敵方可能監(jiān)聽(tīng)記錄下來(lái)，寫(xiě)出來(lái)是一串?dāng)?shù)字。但如果想翻譯出來(lái)，就很需要大開(kāi)腦洞了。

由于用一串?dāng)?shù)字代表一個(gè)漢字，因而不難想象，要把中文翻譯成數(shù)字電碼，其中的勞動(dòng)量是很大的。因此，當(dāng)年到郵局發(fā)電報(bào)，收費(fèi)是按字?jǐn)?shù)計(jì)算的。按照當(dāng)時(shí)的物價(jià)，在食堂買(mǎi)一個(gè)饅頭4分錢(qián)，而發(fā)電報(bào)每個(gè)字3分5厘。這就要求電文必須簡(jiǎn)練清晰，沒(méi)有廢話。

比如姥姥要從北京坐火車(chē)去上海，媽媽給上海的舅舅打電報(bào)讓他去車(chē)站接。這么一件事媽媽寫(xiě)出的電文是：“母于九月十日五次車(chē)下午兩點(diǎn)半到上?！保呀?jīng)夠簡(jiǎn)練了吧？而郵局電報(bào)柜臺(tái)的營(yíng)業(yè)員阿姨會(huì)貼心地幫你改成“母9.10 5次1430到滬”。除了把上海簡(jiǎn)稱(chēng)為滬減少了一個(gè)字，電文中還盡量把漢語(yǔ)數(shù)字用阿拉伯?dāng)?shù)字來(lái)寫(xiě)。因?yàn)槲覀兦懊嬷v過(guò)，一個(gè)漢字要用四個(gè)數(shù)字來(lái)代表，而直接用阿拉伯?dāng)?shù)字，需要發(fā)送的字符數(shù)量就減少了很多，從而省下可以買(mǎi)好多個(gè)饅頭的錢(qián)。

電報(bào)早已離開(kāi)人們的生活走入歷史，但那個(gè)時(shí)期留下的很多概念仍然沒(méi)有過(guò)時(shí)。比如通訊安全（密碼編制與反破解），數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮（把E用一個(gè)點(diǎn)表示）與有損壓縮（用阿拉伯?dāng)?shù)字代替漢字?jǐn)?shù)字）等，直到現(xiàn)在仍然是我們需要不斷解決的問(wèn)題，同時(shí)也經(jīng)常給我們的科研工作帶來(lái)啟示。

計(jì)算機(jī)用的串行碼

有人把摩爾斯電碼中的點(diǎn)劃說(shuō)成是計(jì)算機(jī)二進(jìn)制中的1和0，其實(shí)這是誤解。摩爾斯電碼之所以可以正確地傳遞信息，除了點(diǎn)劃這兩個(gè)要素，另一個(gè)必不可少的一個(gè)要素是沒(méi)有聲音的空白時(shí)間段。

前面的編碼表中規(guī)定，點(diǎn)是一個(gè)單位時(shí)間段，劃是三個(gè)單位時(shí)間段。這個(gè)單位時(shí)間段可長(zhǎng)可短，因人而異，熟練的發(fā)報(bào)員可以短些，而生手可以慢些。除此之外，還規(guī)定了點(diǎn)點(diǎn)，點(diǎn)劃，劃劃之間的空當(dāng)為一個(gè)單位時(shí)間段，字母之間的空當(dāng)為三個(gè)單位時(shí)間段，不同單詞之間的空當(dāng)為七個(gè)單位時(shí)間段等。只有這樣，才不會(huì)把不同字母之間的點(diǎn)劃連到一起，也不會(huì)把同一個(gè)字母中的點(diǎn)劃拆到兩個(gè)字母之中。

這樣的編碼方法可以確保收發(fā)報(bào)的人類(lèi)不至于出錯(cuò)，但在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，這樣的編碼就顯得效率太低了。那么計(jì)算機(jī)里用的編碼長(zhǎng)得什么樣子呢？我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明。

當(dāng)我們?cè)阪I盤(pán)上按下一個(gè)字母鍵的時(shí)候，怎樣讓計(jì)算機(jī)主機(jī)知道我們按的是那一個(gè)字母呢？這是通過(guò)串行接口傳遞的高低電平知道的。如果我們找一個(gè)舊式的鍵盤(pán)，把鍵盤(pán)和主機(jī)之間的電纜剝開(kāi)，找到許多線中正確的信號(hào)線，就可以從示波器上看到類(lèi)似下圖的波形。

在沒(méi)有按下鍵的時(shí)候，串行接口處于靜止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)線上處于高電平。當(dāng)我們按下一個(gè)按鍵后，發(fā)送端首先把接口上的電平拉低一個(gè)單位時(shí)間段，然后在后面（即上圖豎直實(shí)線之后）的8個(gè)單位時(shí)間段內(nèi)輸出時(shí)高時(shí)低的電平。具體哪個(gè)時(shí)間段高哪個(gè)時(shí)間段低，取決于我們按下的是哪一個(gè)字母或數(shù)字鍵。顯然，后面這8個(gè)單位時(shí)間段每個(gè)時(shí)間段可以傳輸一個(gè)比特的信息。

很多情況下傳輸一個(gè)字符，需要10個(gè)單位時(shí)間段，這10個(gè)時(shí)間段包括在8個(gè)比特的信息之前需要一個(gè)低電平時(shí)間段以告知接收方準(zhǔn)備接收，以及在8個(gè)比特傳輸之后，設(shè)置一個(gè)高電平的時(shí)間段，以便與后面緊接著的字符區(qū)隔。

當(dāng)然具體使用接口時(shí)，我們有時(shí)可以把接口參數(shù)設(shè)置成只用7個(gè)比特傳輸一個(gè)字符。因?yàn)?6個(gè)大小寫(xiě)英文字母，加十個(gè)數(shù)字，再加各種標(biāo)點(diǎn)符號(hào)已經(jīng)各種控制命令，只需要128種不同字符，因此可以用7個(gè)比特編碼。盡管很多時(shí)候我們傳輸字符時(shí)包含了8個(gè)比特，但最高位的第8個(gè)比特總是0或者低電平。

如果我們打開(kāi)示波器的波形記憶功能，則會(huì)得到如下的顯示。

這個(gè)圖中記錄了我們連續(xù)發(fā)送兩個(gè)字符時(shí)，示波器上看到的波形。在鍵盤(pán)上依次按下不同的字母與數(shù)字鍵，示波器記錄下在每個(gè)單位時(shí)間間隔中信號(hào)的高低電平?？梢钥闯?，不論對(duì)哪一個(gè)字符，第一個(gè)起始時(shí)間段總是0。隨后7個(gè)時(shí)間段，電平可以高也可以低。而第8個(gè)比特在傳輸普通字符時(shí)總是低電平。

假定我們按鍵速度極快，則第一個(gè)字符發(fā)送后，接口會(huì)緊接著發(fā)送第二個(gè)字符，如上圖右半邊所示。這第二個(gè)字符也是先把接口信號(hào)電平拉低一個(gè)單位時(shí)間間隔，然后發(fā)送8個(gè)比特的信息。

串行接口傳輸?shù)乃俣确Q(chēng)為波特率，前面圖中接口的波特率是1200，它在每秒鐘內(nèi)可以傳輸1200個(gè)前面所說(shuō)的單位時(shí)間段。換句話說(shuō)，每個(gè)單位時(shí)間段的長(zhǎng)度為1/1200秒，也就是0.83 毫秒左右。假定我們使用的接口設(shè)置是用10個(gè)單位時(shí)間段發(fā)送一個(gè)字符，則在波特率為1200時(shí)，每秒可以傳輸120個(gè)字符。

每秒120個(gè)字符在很多應(yīng)用中會(huì)嫌太慢，畢竟120個(gè)字符僅僅對(duì)應(yīng)于很多顯示器上一行半文字，因此人們很多時(shí)候會(huì)需要更高的波特率。反之，如果傳輸距離很遠(yuǎn)，電氣環(huán)境惡劣，而需要傳輸?shù)男畔⒘坎惶髸r(shí)，人們可能需要比較低的波特率，以確保信息傳遞準(zhǔn)確。常見(jiàn)的串行通訊接口往往會(huì)支持很多不同的波特率，包括75, 110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 等等。

說(shuō)了半天，計(jì)算機(jī)具體是怎樣把高低電平轉(zhuǎn)換成字符的呢？這就需要我們?cè)诎炎址幊纱a。很多計(jì)算機(jī)設(shè)備中，用的都是ASCII編碼。這個(gè)編碼表的一部分如下圖所示。

計(jì)算機(jī)首先把收到的高低電平排列成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，然后從第2列（或第5，第8列）中找到對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，就可以查到對(duì)應(yīng)的字符。

對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，我們腦子里沒(méi)有安裝計(jì)算機(jī)中的電子元件，要想根據(jù)示波器上的電平翻譯出傳輸?shù)淖址椭荒苡帽哭k法了。設(shè)想我們?cè)谑静ㄆ魃峡吹搅讼旅嬉粋€(gè)波形。

這個(gè)波形在實(shí)虛兩條豎線之間，顯示了一個(gè)“高低高低高高低”的電平序列，我們高興的話也可以讀成“平仄平仄平平仄” 。為了翻譯出這個(gè)字符，我們首先把這個(gè)電平序列寫(xiě)成1010110。不過(guò)，這一串?dāng)?shù)字與前面表上的二進(jìn)制數(shù)還不完全一致。串行接口是先傳輸?shù)臀槐忍?，后傳輸高位比特的，因此，我們?yīng)該把前面這個(gè)數(shù)的比特前后次序翻過(guò)來(lái)，變成0110101。用這個(gè)數(shù)，我們可以從編碼表中查出，這個(gè)電平序列對(duì)應(yīng)的是第53號(hào)字符：數(shù)字5。

要是我們?cè)谑静ㄆ魃峡吹搅恕柏破截破截曝破健钡牟ㄐ?，這又是一個(gè)什么字符呢？

我們把這個(gè)電平序列寫(xiě)成0101001，它對(duì)應(yīng)的編碼是1001010，也就是第74號(hào)字符：字母J。

大家想想看，要是把摩爾斯電碼顯示到示波器上，會(huì)是什么樣子？

智能卡與數(shù)據(jù)編碼

現(xiàn)在，我們的生活中到處都是計(jì)算機(jī)。為此，我們需要與計(jì)算機(jī)迅速方便地交換信息。只要我們注意觀察，在我們周?chē)性S許多多用于信息交換的東西。比如，我們可以從錢(qián)包里掏出一張信用卡或者銀行卡，和孩子一起看看，很多卡上會(huì)有一個(gè) 1 厘米見(jiàn)方，切割得像花一樣的小方塊。

這是一塊小型的電路板，上表面粘了鍍金銅箔，銅箔被光刻腐蝕成8個(gè)接腳。當(dāng)信用卡插入讀卡器中時(shí)，讀卡器中的接點(diǎn)與這8個(gè)接腳聯(lián)通。電路板背面粘貼了一小塊芯片，芯片與這8個(gè)接腳通過(guò)細(xì)金屬絲點(diǎn)焊在一起。這些接腳的功能是什么呢？

上面圖中標(biāo)注了第1，2，3與5，6，7接腳的功能，第4與第8腳是為今后可能的拓展預(yù)留的。在有很多信用卡上，包括手機(jī)上用的SIM卡上，僅僅使用了6個(gè)腳，其他兩個(gè)腳甚至可以不做出來(lái)。

在這些腳中，VCC與讀卡器電源正極連接，GND則與公共地線連接，卡上的芯片通過(guò)這兩個(gè)腳來(lái)供電。

芯片接上電以后，內(nèi)部可能處于混亂狀態(tài)，因此需要通過(guò)RST腳短時(shí)間內(nèi)加一個(gè)電平，使得芯片內(nèi)部各個(gè)寄存器復(fù)位。

芯片復(fù)位后，需要知道讓它做什么，這就需要從外部送入芯片命令以及其他數(shù)據(jù)。命令與數(shù)據(jù)是通過(guò)I/O這根線送進(jìn)去的。盡管I/O只是一根線，我們通過(guò)它傳輸?shù)臄?shù)據(jù)卻是包含有很多比特的。因此，它所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)類(lèi)似前面談到的串行接口那樣的分時(shí)編碼的。

不過(guò)，芯片怎樣才能知道I/O接口上哪個(gè)時(shí)刻的電平屬于哪個(gè)比特呢？這就需要CLK這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。所謂時(shí)鐘信號(hào)，是按照一定頻率上下變化的邏輯電平。在芯片當(dāng)中，寄存器在時(shí)鐘電平的上升沿或者下降沿，將I/O上的電平記錄下來(lái)，成為一個(gè)比特。這樣每一個(gè)時(shí)鐘周期，可以傳送一個(gè)比特。反過(guò)來(lái)，芯片向外輸出其中數(shù)據(jù)時(shí)，也需要時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，使之每個(gè)周期輸出一個(gè)比特。此外，芯片中的計(jì)算功能也是利用時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制其節(jié)律的，一般講，每一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行運(yùn)算程序中的一個(gè)步驟。

下圖是一個(gè)廢舊智能卡的復(fù)位操作。

圖中通道1為RST信號(hào)。通道4為CLK，由于CLK的頻率相對(duì)比較高，所以圖中顯示它的電平變化非常密集。通道2為I/O信號(hào)，在沒(méi)有數(shù)據(jù)輸出時(shí)電平為高，而在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)則上下變化。這個(gè)波形顯示當(dāng)芯片收到復(fù)位信號(hào)后，送出一大串?dāng)?shù)據(jù)。這里顯示的僅僅是開(kāi)始的幾個(gè)比特。

在有一些應(yīng)用中，芯片需要在斷電后仍然能夠記憶一些信息，類(lèi)似U盤(pán)那樣。這就需要芯片里有 EEPROM 或 FLASH 這樣一類(lèi)存儲(chǔ)單元。這些存儲(chǔ)單元在寫(xiě)入信息時(shí)，往往需要相對(duì)比較高的電壓。前面圖中的第6腳，C6-VPP 就是用來(lái)提供這個(gè)電壓的。

由于這種有芯片的信用卡或銀行卡具有一定的加密功能，因此比起只有磁條的普通信用卡，其安全性提高了很多。

RFID與數(shù)據(jù)編碼

前面談到的接觸式芯片卡固然有很多優(yōu)點(diǎn)，但在一些需要快速完成驗(yàn)證的應(yīng)用，比如公交地鐵的檢票系統(tǒng)中，乃至電子門(mén)禁中，就不是非常方便了。在這類(lèi)應(yīng)用中，人們普遍選用非接觸的RFID芯片卡。在有的城市公交或地鐵系統(tǒng)中，車(chē)票本身就是一張RFID芯片卡，整個(gè)卡制作在一張硬紙片上，然后在另一面貼上一層紙保護(hù)起來(lái)，成本極低。這樣的車(chē)票放在水里浸泡一段時(shí)間就可以很容易揭開(kāi)，暴露出完整的RFID的構(gòu)造。

這種RFID卡中占據(jù)空間最大的是用金屬薄膜制做的一個(gè)線圈，這個(gè)線圈是芯片與外界連接的唯一通道。從下面圖中，我們可以看清楚線圈右下角的結(jié)構(gòu)?？梢钥吹接幸桓€，將線圈內(nèi)圈與外邊金屬連接。最終，線圈的兩端與一個(gè)芯片連接在一起。

芯片需要有電才能工作，因此怎樣向芯片供電是這類(lèi)技術(shù)的頭等大事。對(duì)于接觸式的芯片卡，人們可以利用一對(duì)接點(diǎn)來(lái)供電，但對(duì)于RFID，則只能通過(guò)線圈供電。當(dāng)RFID接近讀卡機(jī)時(shí)，讀卡機(jī)首先發(fā)出一段時(shí)間的射頻電磁波。比較常用的頻率是13.56 MHz，當(dāng)然有時(shí)也有工作在比較低的頻段（120-150 kHz）或者很高頻段（433 MHz以上）的情形。變化的電磁場(chǎng)通過(guò)線圈產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)芯片整流，變成芯片可以使用的電能。

芯片根據(jù)其內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，改變自己的有效載荷，有的時(shí)間段顯得負(fù)載重，有時(shí)顯得負(fù)載輕，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)周邊電磁場(chǎng)的調(diào)制。這個(gè)情形，有一點(diǎn)像是RFID芯片在發(fā)電報(bào)，盡管不是用摩爾斯電碼，盡管發(fā)報(bào)距離僅僅幾個(gè)厘米，而且發(fā)報(bào)機(jī)的電源還是收?qǐng)?bào)方通過(guò)變化的電磁場(chǎng)提供的。讀卡機(jī)根據(jù)周邊電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化情況，就可以知道RFID中的芯片在“說(shuō)”什么了。有了RFID技術(shù)，刷卡上車(chē)，刷卡進(jìn)站，刷卡開(kāi)門(mén)這些我們生活中常見(jiàn)的事情才成為可能。

摩爾斯電碼的確并不神秘，但它的意義還是很大的。摩爾斯電碼出現(xiàn)時(shí)，人們甚至還沒(méi)有幻想到計(jì)算機(jī)這個(gè)東西。但是電信號(hào)編碼這樣一個(gè)思想，卻深刻地影響著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。實(shí)際上，摩爾斯電碼本身，是人們迄今使用時(shí)間最久的電信號(hào)編碼方法。所以我們應(yīng)該感謝諜戰(zhàn)劇普及了摩爾斯電碼這個(gè)名稱(chēng)，因?yàn)樵谖覀兘窈蟮募夹g(shù)發(fā)展中，它還可能會(huì)繼續(xù)帶給我們新的啟示。

來(lái)源：賽先生

編輯：lwk

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