Schneller Einstieg in die Entwicklung unter Windows-on-Arm

Ein Großteil der bestehenden Infrastruktur basiert auf Windows in Anwendungen wie der industriellen Automatisierung und dem Gesundheitswesen. Für die Entwicklung stromsparender, kostengünstiger Edge-Geräte für diese Bereiche, ist „Windows-on-Arm®“ eine naheliegende Wahl, da es die Windows-Plattform auf die effiziente Arm-Architektur bringt.

Eine große Herausforderung bei der Entwicklung auf Systemen mit Windows-on-Arm war jedoch der Mangel an geeigneten Entwicklungskits. Obwohl das Betriebssystem (OS) seit langem auf verschiedenen IoT- (Internet der Dinge) und Embedded-Computersystemen auf Boardebene verfügbar ist, erfordern diese Angebote in der Regel eine umfangreiche Hardware-Entwicklung, bevor mit der Codierung begonnen werden kann.

Es wird eine Lösung im Stil eines Box-PCs benötigt, auf dem Windows-on-Arm vorinstalliert ist und der alle Komponenten enthält, die für die Anwendungsentwicklung erforderlich sind. Dies würde die Einrichtungszeit und -komplexität verringern und es ermöglichen, sich auf die Entwicklung und das Testen von Anwendungen zu konzentrieren, ohne sich um die anfängliche Softwareinstallation und -konfiguration kümmern zu müssen.

In diesem Artikel werden die Kriterien für die Auswahl des Betriebssystems erläutert, die zur Verwendung von Windows-on-Arm führen, und es werden die verschiedenen Windows-Versionen vorgestellt, die in Frage kommen. Anschließend wird das Windows-on-Arm-Entwicklungskit EPC-R3720IQ-AWA12 von Advantech vorgestellt und beschrieben, wie es eine nahtlose Umgebung zur Beschleunigung der Entwicklung bietet. Der Artikel enthält Tipps für die ersten Schritte und verweist auf Microsoft-Tools, die mit dem Kit verwendet werden können.

Warum Windows anstelle von Linux oder einem RTOS verwenden?

Bei der Wahl des Betriebssystems gibt es viele Möglichkeiten, darunter Linux und verschiedene Echtzeit-Betriebssysteme (RTOS). Ein häufiger Grund für die Wahl von Windows gegenüber diesen Alternativen ist das umfangreiche Angebot an Software und Bibliotheken. Dies ist ein wichtiger Aspekt für Umgebungen mit einer älteren Windows-Infrastruktur.

Windows bietet außerdem ein ausgereiftes Entwicklungssystem mit umfassenden Tools und Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) wie Visual Studio und dem .NET Framework. Programmierer können aus einer breiten Palette von Programmiersprachen wie C++, Python und Node.js wählen und auf verschiedene Microsoft-Azure-Dienste zugreifen, um schnell anspruchsvolle Funktionen zu entwickeln.

Linux hat einige dieser Vorteile, aber die Konfiguration und Wartung eines Linux-Builds kann einen erheblichen Aufwand erfordern. Außerdem können die Linux-Distributionen sehr unterschiedlich sein, was zu Herausforderungen im Entwicklungsprozess führt.

Im Gegensatz zu Windows und Linux steht bei RTOSs die Effizienz im Vordergrund. Ihnen fehlen in der Regel moderne Funktionen wie reichhaltige grafische Benutzeroberflächen (GUIs) und das breite Ökosystem, das voll ausgestattete Betriebssysteme bieten.

Wenn ein robustes, funktionsreiches und sicheres Betriebssystem mit einem ausgereiften Entwicklungs-Ökosystem gesucht wird, ist Windows eine überzeugende Option. Windows gibt es jedoch in vielen Formen, und es ist wichtig, die Unterschiede zu kennen.

Verstehen der Windows-Optionen

Microsoft bietet mehrere Varianten von Windows an. Tabelle 1 zeigt einige der Hauptunterschiede zwischen den verschiedenen Ausgaben. Für den EPC-R3720IQ-AWA12 wählte Advantech Windows IoT Enterprise. Einer der Vorteile von Windows IoT Enterprise ist die Kompatibilität mit der Touchpanel-freundlichen Universal Windows Platform (UWP) und herkömmlichen Win32-Anwendungen. Diese Flexibilität ermöglicht es, das am besten geeignete App-Modell zu wählen.

Tabelle 1: Die verschiedenen Windows-Editionen unterstützen unterschiedliche Anwendungsfälle. (Quelle der Tabelle: Kenton Williston, basierend auf Informationen von Microsoft)

Windows IoT Enterprise bietet außerdem erweiterte Sicherheitsfunktionen, die die Zuverlässigkeit verbessern:

• Mit den Funktionen zur Gerätesperrung können Administratoren das Gerät so einschränken, dass nur autorisierte Anwendungen ausgeführt werden.
• Sicheres Booten stellt sicher, dass das Gerät nur mit vertrauenswürdiger Software gestartet wird.
• Die BitLocker-Verschlüsselung hilft, sensible Daten zu schützen.

Das Betriebssystem bietet außerdem unternehmenstaugliche Verwaltungstools, die einen zentralen Support für die bereitgestellten Geräte ermöglichen. Diese Tools vereinfachen die Wartung und Sicherheit von groß angelegten IoT-Implementierungen.

Viele dieser Funktionen werden von dem kompakteren Windows IoT Core nicht unterstützt. Diese Ausgabe ist für leichte Einzweckgeräte mit begrenzten Ressourcen gedacht. Es verzichtet auf Funktionen wie eine grafische Benutzeroberfläche und Unterstützung für herkömmliche Win32-Anwendungen, wodurch es sich besser als Begleitbetriebssystem für komplexe Geräte eignet.

Umgekehrt bietet das standardmäßige Windows Pro einen umfangreichen Funktionsumfang, kann aber nicht für IoT-Bereitstellungen angepasst werden. Es ist auch nicht mit LTSC-Unterstützung für langlebige Geräte verfügbar.

Warum Windows-on-Arm verwenden?

In der Vergangenheit war das Windows-Betriebssystem an die x86-Architektur gebunden. Heute läuft das Betriebssystem auch auf Arm-Prozessoren, und diese Option eröffnet neue Möglichkeiten.

Der Hauptvorteil von Windows-on-Arm ist die Effizienz. Arm-Prozessoren sind für ihren geringen Stromverbrauch bekannt und eignen sich daher gut für batteriebetriebene Geräte und Anwendungen, bei denen das Wärmemanagement eine Rolle spielt. Arm-basierte Systeme zeichnen sich außerdem durch ihre Kosteneffizienz aus, was sie zu einer attraktiven Option für groß angelegte IoT-Implementierungen macht.

Schneller Start mit einem Entwicklungskit für Windows-on-Arm

Wie bereits erwähnt, war einer der Nachteile von Windows-on-Arm der Mangel an einsatzbereiter Hardware. Das EPC-R3720IQ-AWA12 löst dieses Problem, indem es einen Box-PC mit vorinstalliertem Windows 10 IoT liefert.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist das Entwicklungskit in einem robusten 174 x 108 x 25 Millimeter (mm) großen Gehäuse untergebracht. Dieses Gehäuse ist mit Halterungen ausgestattet und kann auf Wunsch auch im Feld eingesetzt werden.

Abbildung 1: Der EPC-R3720IQ-AWA12 ist ein kompakter Box-PC mit einem Arm-Prozessor und Windows 10 IoT. (Bildquelle: Advantech)

Das Herzstück des Entwicklungskits ist das SoC (System-on-Chip) MIMX8ML8DVNLZAB von NXP Semiconductors, das auf einem Quad-Core-Arm-Cortex-A53-Prozessor basiert, der mit 1,8 Gigahertz (GHz) läuft (auf dem EPC-R3720IQ-AWA12 läuft er mit 1,6 GHz). Das SoC verfügt über eine neuronale Verarbeitungseinheit (NPU) mit 2,3 Tera-Operationen pro Sekunde (TOPS) und eignet sich damit hervorragend für künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) am Netzwerkrand (Edge).

Das Entwicklungskit verfügt über 6 Gigabyte (GByte) Arbeitsspeicher, 16 GByte Speicherplatz und Erweiterungsmöglichkeiten über Steckplätze für Mini-PCIe, M.2, Micro SD und Nano SIM. Was die Vernetzung betrifft, so bietet das Entwicklungskit zwei Gigabit-Ethernet-Anschlüsse (GbE), einen USB2.0-Anschluss, einen USB3.2-Gen-1-Anschluss, einen HDMI-Anschluss und einen seriellen Anschluss, der CAN FD unterstützt.

Einrichten des Entwicklungskits

Die Einrichtung des Entwicklungskits EPC-R3720IQ-AWA12 ist ein unkomplizierter Prozess. In den folgenden Punkten werden die wichtigsten Schritte erläutert, beginnend mit der Grundeinstellung:

1. Ein Monitor, eine Tastatur und ein Netzwerk sollten über die HDMI-, USB- bzw. Ethernet-Anschlüsse angeschlossen werden.
2. Das Entwicklungskit führt beim ersten Start automatisch den Setup-Prozess für Windows 10 IoT aus. Sobald dies abgeschlossen ist, wird die Windows-Desktop-Umgebung angezeigt.
3. Dann muss Visual Studio von der Microsoft-Website heruntergeladen und installiert werden, um die Entwicklungsumgebung einzurichten. Während der Installation müssen die Komponenten ausgewählt werden, die für die Entwicklung von Windows IoT-Anwendungen und anderen erforderlichen Workloads wie .NET oder UWP erforderlich sind.
4. Alle erforderlichen Software-Entwicklungskits (SDKs) und Laufzeiten sollten installiert sein. Wenn zum Beispiel .NET 6 oder .NET 7 benötigt wird, sollten die entsprechenden Laufzeiten vom Microsoft-Entwicklerportal oder über das Installationsprogramm von Visual Studio heruntergeladen werden.
5. Nach der Installation der erforderlichen Tools sollte Visual Studio für die Windows-IoT-Entwicklung konfiguriert werden, um sicherzustellen, dass die richtigen Versionen des Windows SDK und der Tools installiert sind.

Je nach den Anforderungen der Anwendung können zusätzliche Konfigurationen erforderlich sein:

1. Wenn ein drahtloses Netzwerk benötigt wird, sollte eine Antenne an den integrierten Anschluss des Entwicklungskits angeschlossen werden. Für eine Mobilfunkverbindung muss eine SIM-Karte bereitgestellt und installiert werden.
2. Alle Peripheriegeräte, die über den M.2-Steckplatz oder andere I/O-Ports angeschlossen sind, sollten getestet werden, um sicherzustellen, dass die erforderlichen Treiber und Software für diese Peripheriegeräte installiert sind.
3. Der entsprechende Azure IoT Hub oder andere Cloud-Dienste müssen konfiguriert werden, wenn die Anwendung eine Cloud-Vernetzung erfordert. Dazu gehört das Einrichten eines Azure-Kontos, das Erstellen von Ressourcen mit Azure und das Konfigurieren des Entwicklungskits für die Kommunikation mit diesen Ressourcen.

Nun kann mit der Anwendungsentwicklung und -bereitstellung fortgefahren werden. Die Entwicklung kann durch Erstellen eines neuen Projekts oder Öffnen eines bestehenden Projekts in Visual Studio begonnen werden. Anwendungen können direkt auf dem Gerät entwickelt, ausgeführt und getestet werden.

Wenn Anwendungen stattdessen von einem Entwicklungs-PC aus debugged werden sollen, sollte Remote-Debugging eingerichtet werden. Dazu müssen die Remote-Debugging-Tools sowohl auf dem Entwicklungskit als auch auf dem PC konfiguriert werden.

Fazit

„Windows on Arm“ bietet viele überzeugende Vorteile für komplexe IoT-Geräte. Das Entwicklungskit EPC-R3720IQ-AWA12 bietet einen schnellen Weg zur Erstellung von Anwendungen für dieses Betriebssystem, und die Hardware kann in einigen Fällen auch direkt für den Einsatz verwendet werden. Wie gezeigt, ist der Einstieg in das Entwicklungskit ein einfacher Prozess, der es ermöglicht, die Anwendungsentwicklung mit minimaler Einrichtung zu beginnen.

Referenzen:

1. „Erste Schritte mit Windows 10 IoT Enterprise unter Verwendung des EPC-R3720 von Advantech, einem Arm-basierten Embedded-PC mit NXP i.MX 8M Plus“