Rychlý začátek vývoje v systému Windows založeném na architektuře Arm

V aplikacích, jako je průmyslová automatizace a zdravotnictví, je velká část stávající infrastruktury založena na systémech Windows. Pro vývojáře vytvářející nízkoenergetická a nízkonákladová edge zařízení pro tyto sektory je systém Windows založený na procesorech Arm® jasnou volbou, protože přináší platformu Windows do efektivní architektury Arm.

Jedním z hlavních problémů při vytváření systémů Windows na architektuře Arm však byl nedostatek vhodných vývojových sad. Přestože je operační systém („operating system“, OS) již dlouho dostupný na různých deskách internetu věcí („Internet of Things“, IoT) a vestavěných počítačových systémech, tyto nabídky před zahájením kódování obvykle vyžadují značné hardwarové inženýrství.

Vývojáři potřebují řešení ve stylu skříňového počítače, které se dodává s předinstalovaným systémem Windows na architektuře Arm a obsahuje všechny komponenty potřebné k zahájení vývoje aplikací. To by zkrátilo čas a složitost nastavení a umožnilo vývojářům se soustředit na vývoj a testování aplikací bez starostí s počáteční instalací a konfigurací softwaru.

V tomto článku jsou vysvětlena kritéria výběru OS, která vedou k používání systému Windows na architektuře Arm, a dále jsou zde revidovány různé verze systému Windows, které přicházejí v úvahu. Poté je zde představena vývojová sada pro systém Windows na architektuře Arm EPC-R3720IQ-AWA12 od společnosti Advantech a popsáno, jak poskytuje bezproblémové prostředí pro urychlení vývoje. Článek také zahrnuje tipy, jak začít, a poukazuje na nástroje společnosti Microsoft, které lze se sadou použít.

Proč místo systému Linux nebo RTOS používat prostředí Windows?

Při výběru OS mají vývojáři mnoho možností, včetně systému Linux a různých operačních systémů reálného času („real-time operating system“, RTOS). Jedním z běžných důvodů, proč upřednostnit systém Windows před těmito alternativami, je široká škála dostupného softwaru a knihoven. To je rozhodující faktor pro prostředí se starší infrastrukturou Windows.

Systém Windows nabízí také vyspělý vývojový ekosystém s komplexními nástroji a rozhraními pro programování aplikací („application programming interfaces“, API), jako jsou rámce Visual Studio a .NET. Programátoři si mohou vybrat ze široké škály programovacích jazyků, jako je C++, Python a Node.js, a mají přístup k různým službám Microsoft Azure, aby mohli rychle vytvářet sofistikované funkce.

Systém Linux má některé z těchto výhod, ale konfigurace a údržba sestavení systému Linux může vyžadovat značné úsilí. Kromě toho se distribuce systémů Linux mohou značně lišit, což vede v procesu vývoje k problémům.

Na rozdíl od systémů Windows a Linux kladou RTOS důraz na efektivitu. Obvykle jim chybí pokročilé funkce, jako jsou bohatá grafická uživatelská rozhraní („graphical user interface“, GUI) a široký ekosystém, který poskytují plnohodnotné operační systémy.

Pokud vývojáři hledají robustní, na funkce bohatý a bezpečný operační systém s vyspělým vývojovým ekosystémem, představuje systém Windows přesvědčivou volbu. Systém Windows je však k dispozici v mnoha podobách a je nezbytné rozumět jejich rozdílům.

Pochopení možností systému Windows

Společnost Microsoft nabízí několik variant systému Windows. V tabulce 1 jsou uvedeny některé klíčové rozdíly mezi různými edicemi. Společnost Advantech vybrala pro sadu EPC-R3720IQ-AWA12 systém Windows IoT Enterprise. Jednou z výhod systému Windows IoT Enterprise je jeho kompatibilita s dotykovou platformou Universal Windows Platform („Universal Windows Platform“, UWP) a tradičními aplikacemi Win32. Tato flexibilita umožňuje vývojářům vybrat si model aplikace, který nejlépe vyhovuje jejich potřebám.

Tabulka 1: Různé edice systému Windows podporují jedinečné případy použití. (Zdroj tabulky: Kenton Williston, na základě informací společnosti Microsoft)

Systém Windows IoT Enterprise nabízí také pokročilé funkce zabezpečení, které zlepšují spolehlivost:

• Funkce uzamčení zařízení umožňuje správcům omezit zařízení na spouštění pouze autorizovaných aplikací.
• Zabezpečené spouštění zajišťuje, že se zařízení spouští pouze s důvěryhodným softwarem.
• Šifrování BitLocker pomáhá chránit citlivá data.

Operační systém nabízí také nástroje pro správu podnikové úrovně, které umožňují centralizovanou podporu nasazených zařízení. Tyto nástroje zjednodušují údržbu a zabezpečení rozsáhlých nasazení IoT.

Mnoho z těchto funkcí není v kompaktnějším systému Windows IoT Core podporováno. Tato edice je určena pro lehká jednoúčelová zařízení s omezenými prostředky. Nemá funkce, jako je GUI a podpora tradičních aplikací Win32, takže je vhodnější jako doprovodný operační systém pro složitá zařízení.

Naopak standardní systém Windows Pro nabízí bohatou sadu funkcí, ale nelze ho přizpůsobit pro nasazení IoT. Pro zařízení s dlouhou životností není ani k dispozici s podporou LTSC.

Proč používat systém Windows na architektuře Arm?

Historicky byl operační systém Windows svázán s architekturou x86. Operační systém dnes běží i na procesorech Arm a tato možnost otevírá nové možnosti návrhů.

Primární výhodou systému Windows na architektuře Arm je efektivita. Procesory Arm jsou známé svou nízkou spotřebou energie, díky čemuž se dobře hodí pro zařízení napájená bateriemi a aplikace, kde je důležitá regulace tepla. Systémy založené na procesorech Arm také obvykle kladou důraz na nákladovou efektivitu, což z nich činí atraktivní možnost pro rozsáhlá nasazení IoT.

Rychlý začátek s vývojovou sadou pro systém Windows založený na architektuře Arm

Jak bylo uvedeno výše, jednou z nevýhod systému Windows na architektuře Arm byl nedostatek hardwaru připraveného k použití. Sada EPC-R3720IQ-AWA12 řeší tento problém dodáním skříňového počítače s předinstalovaným systémem Windows 10 IoT.

Jak je uvedeno na obrázku 1, vývojová sada je umístěna v robustním pouzdře o rozměrech 174 × 108 × 25 mm. Tento kryt je vybaven montážními držáky a v případě potřeby ho lze nasadit v terénu.

Obrázek 1: Model EPC-R3720IQ-AWA12 je kompaktní skříňový počítač založený na procesoru Arm se systémem Windows 10 IoT. (Zdroj obrázku: společnost Advantech)

Srdcem vývojové sady je systém na čipu („system-on-chip“, SoC) MIMX8ML8DVNLZAB společnosti NXP Semiconductors, který je založen na čtyřjádrovém procesoru Arm Cortex-A53 schopném běžet na frekvenci 1,8 GHz (v modelu EPC-R3720IQ-AWA12 běží na frekvenci 1,6 GHz). Systém SoC je vybaven neurálním procesorem („neural processing unit“, NPU) se 2,3 tera operacemi za sekundu („tera operations per second“, TOPS), díky čemuž se dobře hodí pro úlohy umělé inteligence („artificial intelligence“, AI) a strojového učení („machine learning“, ML) na okraji sítě.

Vývojová sada má 6 GB paměti, 16 GB úložiště a možnosti rozšíření prostřednictvím slotů pro Mini-PCIe, M.2, Micro SD a Nano SIM. Co se týče konektivity, nabízí vývojová sada dva porty Gigabit Ethernet (GbE), jeden port USB 2.0, jeden port USB 3.2 Gen 1, port HDMI a sériový port podporující CAN FD.

Nastavení vývojové sady

Nastavení vývojové sady EPC-R3720IQ-AWA12 je jednoduchý proces. Klíčové kroky, počínaje základním nastavením, jsou uvedeny v následujících bodech:

1. Je třeba připojit monitor, klávesnici a síť přes porty HDMI, USB a Ethernet.
2. Vývojová sada spustí proces nastavení systému Windows 10 IoT při prvním spuštění automaticky. Po dokončení se uživateli zobrazí pracovní prostředí systému Windows.
3. Uživatel si musí z webu společnosti Microsoft stáhnout a nainstalovat prostředí Visual Studio, aby mohl nastavit vývojové prostředí. Během instalace musí uživatel vybrat komponenty potřebné pro vývoj aplikací systému Windows IoT a případné další nezbytné sady funkcí, jako je .NET nebo UWP.
4. Měly by být nainstalovány všechny požadované sady pro vývoj softwaru („software development kit“, SDK) a běhová prostředí. Pokud je například potřeba platforma .NET 6 nebo .NET 7, měly by být příslušné moduly runtime staženy z vývojářského portálu společnosti Microsoft nebo prostřednictvím instalačního programu Visual Studio.
5. Po instalaci nezbytných nástrojů je nutné nakonfigurovat prostředí Visual Studio pro vývoj v systému Windows IoT, aby bylo zajištěno, že jsou nainstalovány správné verze sady Windows SDK a nástrojů.

V závislosti na potřebách aplikace mohou být vyžadovány další konfigurace:

1. Pokud je potřeba bezdrátové připojení k síti, měla by být k vestavěnému konektoru vývojové sady připojena anténa. Pro mobilní připojení by měla být poskytnuta a nainstalována SIM karta.
2. Všechna periferní zařízení připojená přes slot M.2 nebo jiné vstupní/výstupní porty by měla být otestována a měli byste se ujistit, že jsou pro tyto periferie nainstalovány potřebné ovladače a software.
3. Pokud aplikace zahrnuje cloudové připojení, musí být nakonfigurována příslušná služba Azure IoT Hub nebo jiná cloudová služba. To zahrnuje nastavení účtu Azure, vytváření prostředků v Azure a konfiguraci vývojové sady pro komunikaci s těmito prostředky.

Nyní může uživatel přejít k vývoji a nasazení aplikací. Vývoj lze zahájit vytvořením nového projektu nebo otevřením existujícího projektu v prostředí Visual Studiu. Aplikace lze vyvíjet, spouštět a testovat přímo v zařízení.

Pokud uživatelé místo toho plánují ladit aplikace vzdáleně z vývojového počítače, měli by nastavit vzdálené ladění. To zahrnuje konfiguraci nástrojů pro vzdálené ladění jak ve vývojové sadě, tak v počítači.

Závěr

Systém Windows založený na architektuře Arm nabízí mnoho přesvědčivých výhod pro komplexní zařízení IoT. Vývojová sada EPC-R3720IQ-AWA12 poskytuje vývojářům rychlou cestu k vytváření aplikací pro tento operační systém a hardware lze v některých případech použít i přímo k nasazení. Jak je zde ukázáno, zahájení práce s vývojovou sadou je jednoduchý proces, který vývojářům umožňuje zahájit vývoj aplikací s minimálním nastavováním.

Reference:

1. „Začínáme se systémem Windows 10 IoT Enterprise pomocí sady EPC-R3720 společnosti Advantech, vestavěného počítače založeného na architektuře Arm s NXP i.MX 8M Plus“