Nopeasti vauhtiin Windowsia käyttävien Arm-laitteiden kehitystyössä

Suuri osa olemassa olevasta infrastruktuurista perustuu Windowsiin esimerkiksi teollisuusautomaation ja terveydenhuollon sovelluksissa. Windows Arm®-laitteella on itsestään selvä valinta kehittäjille, jotka luovat pienivirtaisia ja edullisia reunalaitteita näille sektoreille, sillä se yhdistää Windows-alustan tehokkaaseen Arm-arkkitehtuuriin.

Yksi suuri haaste Windowsin käytölle Arm-laitteissa on kuitenkin ollut sopivien kehityssarjojen puute. Vaikka käyttöjärjestelmä (OS) on ollut jo pitkään saatavilla erilaisiin piirilevytason esineiden internet- (Internet of Things, IoT) ja sulautettuihin laskentajärjestelmiin, nämä tuotteet vaativat yleensä huomattavasti laitteistosuunnittelua ennen kuin koodaus voidaan aloittaa.

Kehittäjät tarvitsevat käyttövalmiin PC-tyyppisen ratkaisun, jossa Arm-laitteelle on valmiiksi asennettu Windows ja joka sisältää kaikki sovelluskehityksen aloittamiseen tarvittavat komponentit. Tämä vähentää asetusaikaa ja kompleksisuutta, jolloin kehittäjät pystyvät keskittymään sovelluskehitykseen ja testaukseen ilman ohjelmiston alkuasennuksen ja konfiguroinnin tarvetta.

Tässä artikkelissa selitetään käyttöjärjestelmän valintakriteerejä, jotka johtavat Windowsin käyttöön-laitteella, ja siinä tarkastellaan erilaisia vaihtoehtoisia Windows-versioita. Sen jälkeen siinä esitellään Windowsia käyttävä Arm-kehityssarja EPC-R3720IQ-AWA12 valmistajalta Advantech ja kuvataan, miten se tarjoaa kehitystyötä nopeuttavan saumattoman ympäristön. Artikkeli sisältää vinkkejä käytön aloittamiseen ja esittelee Microsoftin työkaluja, joita voidaan käyttää kehityssarjan kanssa.

Miksi käyttää Windowsia Linuxin tai RTOS:n sijaan?

Kehittäjillä on valittavissa monia käyttöjärjestelmävaihtoehtoja, kuten Linux ja erilaiset reaaliaikaiset käyttöjärjestelmät (RTOS). Yksi yleinen syy Windowsin valintaan näiden vaihtoehtojen sijasta on saatavilla olevien ohjelmistojen ja kirjastojen kattava valikoima. Tämä on ratkaiseva seikka ympäristöissä, joissa on vanhaa Windows-infrastruktuuria.

Windows tarjoaa myös kehittyneen kehitysekosysteemin, johon kuuluu kattavat työkalu- ja API (sovellusohjelmointirajapinta) -vaihtoehdot, kuten Visual Studio ja .NET-ympäristö. Ohjelmoijilla on valittavissa monia eri ohjelmointikieliä, kuten C++, Python ja Node.js, ja he voivat käyttää erilaisia Microsoft Azure -palveluita sofistikoituneiden toimintojen nopeaan kehittämiseen.

Linux tarjoaa joitakin näistä vaihtoehdoista, mutta Linux-ympäristön konfigurointi ja ylläpito saattaa vaatia paljon työtä. Lisäksi Linux-jakeluissa on paljon eroja, mikä vaikeuttaa kehitysprosessia.

Toisin kuin Windowsissa ja Linuxissa, RTOS-järjestelmissä korostuu tehokkuus. Niissä ei tavallisesti ole sellaisia kehittyneitä ominaisuuksia kuten monipuoliset graafiset käyttöliittymät (GUI) ja laaja ekosysteemi. Monipuolisista käyttöjärjestelmistä nämä löytyvät.

Jos kehittäjät etsivät robustia, monipuolista ja turvallista käyttöjärjestelmää, joka tarjoaa kehittyneen kehitysekosysteemin, Windows on houkutteleva vaihtoehto. Windows on kuitenkin saatavilla monissa eri muodoissa, ja on tärkeää ymmärtää niiden väliset erot.

Windows-vaihtoehtojen ymmärtäminen

Microsoft tarjoaa Windowsista useita muunnelmia. Taulukko 1 näyttää joitakin eri versioiden välisiä keskeisiä eroja. Advantech valitsi EPC-R3720IQ-AWA12-kehityssarjaan Windows IoT Enterprise -version. Yksi Windows IoT Enterprisen eduista on sen yhteensopivuus kosketusystävällisen Universal Windows Platformin (UWP) ja perinteisten Win32-sovellusten kanssa. Tämän joustavuuden ansiosta kehittäjät voivat valita tarpeisiinsa parhaiten sopivan sovellusmallin.

Taulukko 1: Windows tarjoaa erilaisiin käyttötapauksiin sopivia versioita. (Taulukon lähde: Kenton Williston, Microsoftin tarjoaman informaation perusteella)

Windows IoT Enterprise tarjoaa myös kehittyneet tietoturvaominaisuudet, jotka parantavat luotettavuutta:

• Laitteen lukitusominaisuuksien ansiosta järjestelmänvalvojat voivat rajoittaa laitetta niin, että siinä voidaan käyttää vain valtuutettuja sovelluksia.
• Suojattu käynnistys varmistaa, että laite käynnistyy vain käyttämällä luotettua ohjelmistoa.
• BitLocker-salaus auttaa suojaamaan arkaluonteisia tietoja.

Käyttöjärjestelmä tarjoaa myös yritystason hallintatyökaluja, jotka mahdollistavat käytössä olevien laitteiden keskitetyn tuen. Nämä työkalut yksinkertaistavat suuren mittakaavan IoT-ympäristöjen ylläpitoa ja tietoturvaa.

Monia näistä ominaisuuksista ei tueta kompaktimmassa Windows IoT Core -käyttöjärjestelmässä. Tämä versio on tarkoitettu kevyille, yhden käyttötarkoituksen laitteille, joissa on vain rajalliset resurssit. Siitä on poistettu sellaisia ominaisuuksia kuten graafinen käyttöliittymä ja tuki perinteisille Win32-sovelluksille, joten se soveltuu paremmin kompleksisia laitteita täydentäväksi käyttöjärjestelmäksi.

Tavallinen Windows Pro tarjoaa sitä vastoin runsaasti ominaisuuksia, mutta sitä ei voi mukauttaa IoT-käyttöä varten. Sitä ei myöskään ole saatavilla pitkäikäisten laitteiden edellyttämällä LTSC-tuella.

Miksi käyttää Windowsia Arm-laitteella?

Windows-käyttöjärjestelmä tapasi olla sidottu x86-arkkitehtuuriin. Nykyään käyttöjärjestelmää voidaan käyttää myös Arm-prosessoreilla, ja tämä vaihtoehto avaa uusia suunnittelumahdollisuuksia.

Windowsin ensisijainen etu Arm-laitteella on tehokkuus. Arm-prosessorit tunnetaan alhaisesta virrankulutuksestaan, joten ne soveltuvat hyvin akkukäyttöisiin laitteisiin ja sovelluksiin, joissa lämmönhallintaan on kiinnitettävä huomiota. Arm-pohjaisissa järjestelmissä korostuu yleensä myös kustannustehokkuus, mikä tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon suuren mittakaavan IoT-ympäristöihin.

Nopeasti alkuun Windowsia käyttävän Arm-kehityssarjan avulla

Kuten edellä todettiin, yksi haaste Windowsin käytölle Arm-laitteissa on ollut valmiiden laitteiden puute. EPC-R3720IQ-AWA12-kehityssarja ratkaisee tämän ongelman tarjoamalla käyttövalmiin PC-tyyppisen laitteen, johon on asennettu valmiiksi Windows 10 IoT.

Kuten kuvassa 1 näytetään, kehityssarja on sijoitettu kestävään 174 x 108 x 25 millimetrin (mm) kokoiseen koteloon. Tähän koteloon voidaan kiinnittää asennuskiinnikkeet ja sitä voidaan haluttaessa käyttää kenttäolosuhteissa.

Kuva 1: EPC-R3720IQ-AWA12 on kompakti käyttövalmis PC-tyyppinen laite, joka käyttää Arm-prosessoria ja Windows 10 IoT -käyttöjärjestelmää. (Kuvan lähde: Advantech)

Kehityssarjan ytimessä on NXP Semiconductorsin MIMX8ML8DVNLZAB-järjestelmäpiiri (SoC), joka perustuu neliytimiseen Arm Cortex-A53 -prosessoriin, joka toimii 1,8 gigahertsin (GHz) nopeudella (EPC-R3720IQ-AWA12-PC-sarjassa se toimii nopeudella 1,6 GHz). Järjestelmäpiirin ominaisuuksiin kuuluu 2,3 teraoperaatiota sekunnissa (TOPS) suorittava neuraalinen prosessoriyksikkö (NPU), joten se soveltuu hyvin tekoälyn (AI) ja koneoppimisen (ML) työkuormiin reunasovelluksissa.

Kehityssarja sisältää 6 gigatavua muistia, 16 gigatavua tallennustilaa ja laajennusvaihtoehtoja Mini-PCIe-, M.2-, Micro SD- ja Nano SIM -korttipaikkojen kautta. Kehityssarja tarjoaa liitettävyyttä varten kaksi Gigabit Ethernet (GbE) -porttia, yhden USB 2.0 -portin, yhden USB 3.2 Gen 1 -portin, HDMI-portin ja CAN FD -protokollaa tukevan sarjaportin.

Kehityssarjan asetukset

EPC-R3720IQ-AWA12-kehityssarjan asetusten teko on suoraviivainen prosessi. Seuraavissa kohdissa kuvataan tärkeimmät vaiheet alkaen perusasetuksista:

1. Näyttö, näppäimistö ja verkko on liitettävä HDMI-, USB- ja Ethernet-porttien kautta.
2. Kehityssarja käynnistää Windows 10 IoT -asetusprosessin automaattisesti ensimmäisellä käynnistyskerralla. Kun se on valmis, käyttäjälle näytetään Windows-työpöytäympäristö.
3. Käyttäjän on ladattava ja asennettava Visual Studio Microsoftin verkkosivuilta kehitysympäristön asennusta varten. Käyttäjän on valittava asennuksen aikana Windows IoT -sovellusten kehittämiseen tarvittavat komponentit ja muut tarvittavat ympäristöt, kuten .NET tai UWP.
4. Tarvittavat ohjelmistokehityspaketit (SDK) ja ajoympäristöt on myös asennettava. Jos tarvitaan esimerkiksi .NET 6- tai .NET 7 -ympäristöä, tarvittavat ajoympäristöt on ladattava Microsoftin kehittäjäportaalista tai Visual Studion asennusohjelman kautta.
5. Kun tarvittavat työkalut on asennettu, Visual Studio on konfiguroitava Windows IoT -kehitystä varten. Näin varmistetaan, että laitteeseen on asennettu Windows-ohjelmistokehityspakettien ja -työkalujen oikeat versiot.

Sovelluksen tarpeista riippuen voidaan tarvita muitakin asetuksia:

1. Kehityssarjan sisäänrakennettuun liittimeen on kiinnitettävä antenni, jos tarvitaan langattomia verkkoja. Jos halutaan käyttää matkapuhelinyhteyttä, on hankittava SIM-kortti ja asennettava se.
2. Kaikki M.2-korttipaikan tai muiden I/O-porttien kautta liitettävät oheislaitteet on testattava. Näin varmistetaan, että näille oheislaitteille on asennettu tarvittavat ajurit ja ohjelmistot.
3. Tarvittava Azure IoT Hub tai muut pilvipalvelut on konfiguroitava, jos sovellus käyttää pilviyhteyttä. Tähän kuuluu Azure-tilin luonti, resurssien luominen Azuressa ja kehityssarjan konfigurointi kommunikoimaan näiden resurssien kanssa.

Käyttäjä voi nyt siirtyä sovelluksen kehittämiseen ja käyttöön. Kehittäminen voidaan aloittaa luomalla uusi projekti tai avaamalla olemassa oleva projekti Visual Studiossa. Sovelluksia voidaan kehittää, suorittaa ja testata suoraan kyseisessä laitteessa.

Jos käyttäjät haluavat sen sijaan debugata sovelluksia etänä kehitys-PC:ltä, heidän tehtävä etädebuggausasetukset. Tämä edellyttää etädebuggaustyökalujen konfigurointia sekä kehityssarjassa että PC:ssä.

Yhteenveto

Windowsin käyttö Arm-laitteessa tarjoaa monia houkuttelevia etuja kompleksisille IoT-laitteille. EPC-R3720IQ-AWA12-kehityssarja tarjoaa kehittäjille nopean väylän sovelluksien luontiin tälle käyttöjärjestelmälle, ja sarjaa voidaan useissa tapauksissa käyttää myös suoraan sellaisenaan. Kuten artikkelissa esitetään, kehityssarjan käyttöönotto on yksinkertainen prosessi. Sen ansiosta kehittäjät voivat aloittaa sovelluskehityksen minimaalisella konfiguroinnilla.

Lähteet:

1. ”Getting Started with Windows 10 IoT Enterprise Using the Advantech EPC-R3720, an Arm-Based Embedded PC with NXP i.MX 8M Plus” (Aloita Windows 10 IoT Enterprise -käyttöjärjestelmän käyttö Advantech EPC-R3720 -sarjalla, joka on Arm-pohjainen sulautettu NXP i.MX 8M Plus -järjestelmäpiiriä käyttävä PC)