Windows 10 IoT：開発ツールの進化

近年、マイクロソフトの焦点はクラウドテクノロジー、モノのインターネット（IoT）、および関連サービスにシフトしています。 同時に、クラウドサービスと対話する多くのデバイスには、オペレーティングシステム（OS）が搭載されています。 鮮やかな例としては、2015年にリリースされたWindows 10があります。これは、ほぼすべての種類のデバイスのユニバーサルシステムであると主張しています。


新しいシステムと一緒に、アプリケーションモデル、サービス、およびアップデート配信の新しい概念、および以前のバージョンのOSに類似していない開発ツールが登場しました。 Windows 10（IoT）に根本的な変化をもたらしたものと、組み込みデバイスの開発者にもたらすメリットを理解するために、Microsoftのオペレーティングシステムイメージ開発ツールの開発の歴史を追跡することは興味深いでしょう。

Windows Embedded / IOTファミリオペレーティングシステム

組み込み（つまり、機能的に完全な）システムで使用するために、Microsoftは、特別なライセンス条件と追加のコンポーネントを備えたWindows Embeddedオペレーティングシステムの個別のファミリを提供します。 Windows Embeddedファミリは、汎用コンピューター用のWindowsバージョン用に開発されたソフトウェア（ソフトウェア）を完全にサポートしています（これはWindows CE / Compactには適用されません）。 カスタマイズされたソリューションの円滑な運用を保証するために設計されたOSコンポーネントの運用は、アプリケーションソフトウェア（ソフトウェア）に対して透過的で目に見えません。

Windows Embedded OSファミリは、次のグループに分類できます。

• Windows Embedded Server、汎用コンピューター用の完全に類似したバイナリOS。ただし、特別なライセンス条件で、狭い目的の特殊なデバイスでの使用を目的としています。 特別な埋め込みオプションを含めないでください。
• Windows for Embedded Systems（FES）。これは、汎用コンピューターのデスクトップOSに完全に類似したバイナリですが、組み込みアプリケーションにも使用できます。 特別な埋め込みオプションを含めないでください。
• Windows Embedded CE / Compact（以降Windows CEと呼びます）は、Microsoftの唯一のハードリアルタイムシステムです。 これらは最小のイメージサイズを持ち、他のWindowsオペレーティングシステムとバイナリ互換ではありません。 プラットフォームおよびイメージ開発ツールごとに個別のドライバーが必要です。 一般的な場合、OSイメージの開発は非常に複雑で高価ですが、ライセンスの低コストで相殺されます。 このグループには、Windows MobileなどのCEコアに基づくシステムも含まれます。
• Windows Embedded Standard-録音フィルター、キーボード、USBなどの機能が組み込まれたコンポーネントOS クラシックWindows OSのアプリケーションおよびデバイスドライバーと互換性があります。 コンポーネントの適切な組み合わせを選択することで構成されるOSイメージの開発が必要であるため、このプロジェクトで不要なものを排除し、占有ディスク容量を削減し、システムの安定性を向上させます。 特別な開発ツールが必要です。
• Windows Embedded POSReady / Industry / IoT-コンポーネントの最大セットを含み、特別な開発ツールを必要としない、標準グループの事前に組み立てられたバージョン。 特別な埋め込みオプションが含まれています。 これらのOSを使用する場合、Windowsシステムの使い慣れた開発ツールが汎用コンピューターに使用されます。

既存のアプリケーションとの優れた互換性と独自の埋め込み機能の組み合わせにより、通常、最後の2つのOSグループは開発者にとって最も重要です。

上記からわかるように、Windows 10 IoTは最後のグループに属します。 ただし、FESグループの機能と特別な埋め込み機能を備えているため、OSは個別の構成を必要とせず、開発プロセスをブートディスクからシステムの最も単純なインストールに減らすことができます。 ただし、Windows 10 IoT用の開発ツール（かなり正確なカスタマイズ）はまだ存在し、プロジェクトの特定の要件をすぐに構成した既製のシステムイメージの受信を簡素化するように設計されています。
Windows 10 IoTの出現により、名前に多少のあいまいさがあります。

まず、Windows 10 IoT自体には、エンタープライズ、モバイルエンタープライズ、およびコアの3種類がありますが、いくつかの違いはありますが、単一のコアに基づいています[3]。 同時に、Windows 10 IoT Enterpriseシステムは、一部のソースではWindows 10 Enterprise LTSBと呼ばれることもあります。これは、更新を配信する特別な方法に関連付けられています（LTSB-長期サービスブランチは、システムが重要なセキュリティ更新のみを自動的にインストールするサービスブランチを意味します） 、また、インストールを長時間延期することもできます[4]）。

第二に、モノのインターネット（モノのインターネット、IoT）の開発およびクラウドに接続されたモノのインターネットデバイスで使用するためのWindows 10 IoTの方向付けに関連する、確立されたWindows Embeddedの代わりにWindows IoTという名前が使用されていることに注意する必要があります。

Windows向けの開発

「Windows向けの開発」の概念に関しては、次のタイプのプロセスを区別する必要があることを明確にする必要があります。
OSイメージ、つまりファイルシステムに展開されると、インストールされたアプリケーションでダウンロードして使用できるようにOSを構成する一連のOSコンポーネントの開発。
オペレーティングシステムによって提供される環境で実行されるアプリケーションの開発。
さらに、組み込みOSの場合にはいくつかの機能があるため、OSイメージの開発のみを考慮します。 それらのアプリケーションの開発は実証済みのプロセスであり、従来の汎用オペレーティングシステム用のアプリケーションの開発と違いはありません。

パターンモデル（Windows 10より前）

OSイメージのカスタマイズモデル（カスタマイズフレームワーク）では、システムの外観に関連する設定をOSイメージに導入する特定の方法、ネットワークへの接続方法、ユーザーインタラクション、ブランド要素、デバイスが提供されるターゲット市場への適応を意味します。 これには、アプリケーションの追加、アイコンとメニュー、サウンド、ネットワーク、その他のシステム設定の変更も含まれます[5]。
Windows 10より前は、さまざまなWindows Embeddedオペレーティングシステムでさまざまなイメージカスタマイズモデルが使用されていました。
Windows Embedded CEでは、さまざまな形式の多数のファイルを使用してイメージの構成を記述し、そこからデータを読み取り、アセンブリシステムがOSイメージを作成します[6]。 これには、コンポーネント、ファイルシステム構造、およびレジストリデータのリストを格納するファイルが含まれます。
Windows Embedded CEシステムは独自の方法でユニークであり、その構成モデルは他のシステムとは異なります。 他のシステムとは異なり、この場合のイメージは実際にはデバイスのファームウェア（「ファームウェア」）であるため、複雑なメンテナンス手順を意味しません。
この場合の画像開発ツールは、Windows Embedded CE用のアドオンがインストールされたMicrosoft Visual Studioです。
Windows Phone 8.1システムから、モバイルデバイス用のManaged Centralized Settings Framework（MCSF）のモデルが導入されました[7]。 モバイルデバイスのメーカーを対象としており、継続的なサポートの対象となる画像の数を減らすことができます。 このモデルでは、単一の基本イメージを使用して、ターゲットデバイスの特定の使用条件に関連するさまざまな設定を実行できます。たとえば、通信やブランドのパラメーターを変更します。
MCSF設定は、カスタム応答ファイル（CAF）で定義されます。 これらのXMLファイルは、手動で作成するか、オペレーティングシステムに付属の開発ツールを使用して作成できます。 イメージアセンブリ中に、そのようなファイルは特別なカスタマイズパッケージに変換され、デバイスパッケージに埋め込まれます。 イメージ内のそのようなパッケージを更新または変更する可能性があります。
Unattend Framework構成モデル[8]は、一般的な汎用コンピューター用のクラシックWindowsオペレーティングシステムでの展開（インストール）を自動化するために使用されるため、名前の理由（Unattend-メンテナンスフリー、自動展開）。
このモデルの本質は、いわゆる応答ファイル（応答ファイル、場合によっては構成ファイル）です。これには、特定のOSイメージの構成の説明がXML形式で含まれています。 OSイメージの各コンポーネントには、同様の応答ファイルを作成するために使用できるいくつかのパラメーターが含まれています。 応答ファイルには、インストールウィザードからの質問に対する「回答」が含まれていると言われることがあり（システム質問に対する回答を手動で入力するのと同様）、ファイルの名前と自動化の本質を決定します。
ただし、上記に加えて、Unattend Frameworkモデルにはさらに多くの機能があります。

• 応答ファイルの設定のリストは、インストールウィザードからの質問に対する単なる回答よりも幅広いものです。たとえば、自動ログインを構成できます。
• 応答ファイルは、Windows展開サービスを使用してネットワーク経由でシステムを展開するときに使用できます。
• システムの展開後に応答ファイルを適用して、コンポーネントを追加したり、設定を変更したりできます。
• 応答ファイルは、複製の前にsysprepユーティリティ[9]を使用してイメージを「封印」するために使用できます。したがって、後続の「印刷」中の使用目的に合わせてシステムの動作を変更できます。

応答ファイル開発ツールは、Windowsアセスメント＆デプロイメントキット（ADK）のWindowsシステムイメージマネージャー（SIM）ツールです（図1）[10]。


図 1

Windows Embedded Standardシステムでは、対応する開発ツールセットのImage Configuration Editor（ICE）[11]のバージョンが使用されます（図2）。


図 2

これらのツールを使用して応答ファイルを作成するには、最初にシステムイメージを選択する必要があります。

• SIMでは、応答ファイルを作成しようとすると、OSイメージを選択する提案が表示されます。これは、インストールディスクにあります。 次に、SIMはイメージをスキャンし、このイメージに使用できるコンポーネントと設定のリストを含むイメージのカタログファイルを作成します。 カタログファイルはすでに作成されているため、これ以上のイメージスキャンは不要です。
• ICEでは、応答ファイルを作成するには、ターゲットファイルが応答するコンポーネントストア（配布共有、カタログ）を選択する必要があります。 SIMとは異なり、ICEで使用されるコンセプトでは、既存のコンポーネントを構成できるだけでなく、それらの組み合わせを選択して、ターゲットデバイスに不要なものを排除できます。 これが、ICEツールがコンポーネントシステム専用に作成された理由です。

したがって、コンポーネントの特定のイメージまたはリポジトリ用に応答ファイルが作成され、他のイメージまたはリポジトリとの互換性は保証されません。

コンポーネントパラメータを設定するにはインストールフェーズを明示的に指定する必要があるため、SIMまたはICEを使用する場合、開発者はWindowsインストールプログラムがどのフェーズを通過するかを理解する必要があります（全部で7がありますが、通常のインストールには4が含まれます）。


図 3

独自の構成アプローチを持ち、汎用Windowsシステムのネットワーク展開に焦点を当てた、Microsoft Deployment Toolkit（MDT）という別の展開関連ツールに言及するしかありません。 彼に関する追加情報は[12]にあります。

モデルと開発ツールの説明から、Windows 10のリリースまでに多くの断片化があったことは明らかです。いくつかの構成モデルと開発ツールがあり、それぞれ独自の特性を持ついくつかのバージョンがありました。 新しいバージョンのWindowsを自分で習得した開発者は、多くの場合、新しいテクニックを学ぶ必要がありました。 質的な変化-すべてのMicrosoft OSに共通するユニバーサルモデルおよび開発ツールへの移行-の必要性は、Windows 10のリリースまでに完成しました。

WINDOWS 10パターンモデル

Windows 10では、構成モデルと開発ツールだけでなく、Windowsストア自体のシステムとアプリケーションもユニバーサルであることに注意してください。 以前のバージョンであるWindows 8.1を考えると、その中のアプリケーションは真に普遍的ではなかったと言えます。 Windows 8.1とWindows Phone 8.1の両方に焦点を当てたVisual Studioでソリューションを作成すると、3つの関連プロジェクトが実際に作成されました（図4）。

• Windows 8.1コード
• Windows Phone 8.1コード。
• 共通コード。

図 4

そのため、開発者は特定のプラットフォーム用に個別のコードを記述する必要がありました。 インターフェイスも個別に開発されました。

Windows 10では、そのようなソリューションにはすでに1つのプロジェクトが含まれています（図5）：アプリケーションは本当に普遍的です-多数のプラットフォームに共通するシステムのカーネルと、適応ユーザーインターフェイスのサポート[13]の両方のためです。 もちろん、高品質の結果を達成するには、そのような普遍性を提供する手段を正しく使用する必要があります。


図 5

Windows 10でイメージを構成するためのユニバーサルモデルは、プロビジョニングフレームワークと呼ばれます[14]。 ADK [15]の対応するWindows Imaging and Configuration Designer（ICD）開発ツール（図6）は、コンポーネント、メンテナンス、およびグラフィカルインターフェイスとコマンドラインの両方を使用したイメージの展開の準備を組み合わせたものです。 このエディションは、モバイルおよびコアを含むWindows 10のすべてのエディションをサポートしています。


図 6

新しい構成モデル（図7）は、イメージコンポーネントの構成構造を定義するプロビジョニングXMLスキーマを使用します。 このスキームには、設定が画像に該当する条件を示す手段があり、画像の特定の構成の状態への依存性を判断できます（いわゆる多変量設定[16]）。 画像の状態を変更する例は、たとえば、デバイス設定の領域を変更することです。


図 7

Windows 10のすべてのエディションのイメージには、コンポーネントの説明と可能な設定を含むメタデータ（設定マニフェスト）が含まれています。 ICDを使用して画像を開発するプロセスでは、このメタデータから取得したすべての設定を設定ストアで利用できます。
上記から、Windows 10でのイメージの開発は、Windows Embedded Standardシステムの場合のように、コンポーネントストレージからのコンポーネント単位のアセンブリではなく、実際にはベースイメージの変更であると結論付けることができます。 ベースイメージはコンポーネントで構成されていますが、FESのようなシステムと同様に、分離できません。

この図から、Windows 10で以前の開発モデルのコンポーネントのパラメーターがまだ利用可能であることが簡単にわかります。 さらに、ADKには、Unattend Frameworkモデルの一部として応答ファイルを作成するためのWindows SIMツールが含まれています。これにより、使い慣れた開発ツールを使用し、徐々に新しいものに移行できます。

ICDで行われた画像設定は、Windowsプロビジョニング応答ファイル（WPAF）と呼ばれる新しい応答ファイル形式で保存されます。 次に、WPAFファイルは、設定自体と、ドライバー、アプリケーション、更新、言語パックなどを含む追加コンポーネント（展開資産）の両方を含むプロビジョニングパッケージに変換されます。 このパッケージのユニークな機能は、イメージの最初の展開時（図-イメージングツール）と、既に作業イメージ（プロビジョニングエンジンを使用）の両方で使用できることです。 最初のケースでは、ベースイメージとWPAF応答ファイルから新しいインストールメディアが作成されます。これには、行われたすべての設定が含まれます。 2番目の方法では、すべての設定が展開済みのイメージに既に適用されており、追加のコンポーネントが展開されています。

1つのパッケージ（プロビジョニングパッケージ）の設定と追加コンポーネントの組み合わせにより、追加コンポーネントとそれらへのパスを含む応答ファイルが分離された場合の無人フレームワークの問題の1つが解決され、応答ファイルの適用時に指定されたパスのファイルがたとえば、設計のエラーや不正確さのために使用できません。 この問題は、たとえば、構成セットとOEMフォルダー（構成セット、OEMフォルダー）[17]またはWindows Embedded Standard 8 [18]のカスタムモジュールを使用することで解決されました。 この問題を解決するもう1つの方法は、データイメージを使用するか[19]、展開済みのイメージに必要なソフトウェアを手動で追加してから、封印して複製することです。 リストされた方法は必ずしも便利ではありませんでした。

すべての新しい汎用ツールと同様に、ICDはすべての状況で問題を解決するのに最適な手段ではありません。 したがって、一部の開発者[20]はICDの代わりにSIMを使用することを推奨していることに気付きました。ICDは「Windows 10 IoT Coreで動作しますが、IoTエンタープライズでは動作しません」、「有望ですが、いくつかのリリースで安定します」、「システムのシール問題があります。」

実際、ICDは応答ファイルで画像を封印することはできません。 シーリングに使用されるsysprepユーティリティは、Unattend Frameworkモデルの応答ファイルを想定しており、ICDはWPAFの設定のみを保存できます。 これは、作業イメージに対して多数の設定が直接実行される場合、ICDがイメージを複製する従来の「展開-構成-シール-キャプチャ」モデルに焦点を当てていないという事実によるものです。

これに代わって、ICDは「configure-deploy」サイクルを提供するものと考えています。これは、その後のレプリケーションで作業イメージ上で設定が行われることを意味するものではありません。 したがって、「クリーン」インストールで構成済みのシステムを取得するたびに。 展開段階で従来のWin32アプリケーションを直接埋め込むという既存の困難に関連して（以下で説明します）、このサイクルは多少矛盾しているように見えます。

一部の混乱は、DISM（展開イメージのサービスと管理、コマンドラインでWindowsにイメージを展開およびサービスするためのメインツール）を使用して、WPAF応答ファイルをイメージに直接適用することはできませんが、WPAFがプロビジョニングパッケージの一部である場合、これを行うことができます。ただし、これは、Provisioning Frameworkモデルのイデオロギーと一致しています（上の図を参照）。

また、ICDで行われた一部の設定が期待どおりに機能しない、または異なるタイプの画像を作成する場合の動作が異なることにも気付きました。 これはおそらく、ICDが汎用ツールとして設計されており、外部のシンプルさの背後にその力を隠しており、同様のツールと同様に、粗さを解消するのに時間がかかるためです。 ICDインターフェースはSIMやICEよりもはるかにシンプルであり、深い準備を必要としません。また、すべての設定には即座に表示されるプロンプトが装備されています。

1つの記事のフレームワークでは、Windows 10イメージの開発におけるすべての革新を説明することはほとんど不可能であるため、ICDで直接見つけやすいものを含め、最も重要なものをリストします。

• 新しいコンパクトOSテクノロジーを使用して画像圧縮を有効にする機能。 以前のテクノロジーであるWIMBoot（Quart Technologiesのテスト結果は[21]で入手可能）には、多くの欠点がありました。 Compact OSは、前身の長所と短所の欠如を組み合わせています。
• クリーンインストール（クリーンインストール）、プロダクション（生産）、リカバリ（リカバリ）のブータブルメディアを作成する機能（図8）。 クリーンインストール用のメディアはエンドユーザー向けであり、すばやく作成されますが、展開自体に時間がかかります。 本番用のイメージでは、状況は逆になります。 彼らは機器メーカーに焦点を当てており、その展開は迅速です。 リカバリイメージを使用すると、グラフィカルシェルを使用して自動システムリカバリ用のブータブルメディアを作成できます。
• 新しいFull Flash Update（FFU）形式は、Windowsを複製するために使用されていた以前のWindows Image（WIM）とは異なり、ファイル形式ではなくセクターです。つまり、ターゲットデバイスのパーティションレイアウトを画像ファイルと共に保存できます。 FFUは、仮想ハードディスク（VHD / VHDX）の形式にやや似ていますが、一般的に安全です。
• 形式の比較は[22]にあります。 現時点では、ICDでベースイメージを変更することによってのみ、FFU形式で独自のイメージを作成できますが、DISMユーティリティを使用してFFUを適用できます。
• 組み込みデバイスの開発者は、インターネット接続がない場合、Windows 8.1 IoT Enterpriseのデバイスは、以前のバージョンのWindows 8.1 Industryとは異なり、アクティベーションを必要としないことを理解するでしょう。

図 8

新しい開発モデルと関連ツールを分析する場合、いくつかの重要な点に焦点を合わせる必要があります。

• Windows Embedded Compact 2013の最新バージョンはWindows 10ファミリで直接継続されなかったため、新しい構成モデルはWindows Embedded CEをサポートしていません。現時点で最も近い代替はWindows 10 IoT Coreですが、すべての利点を備えているため、 Windows Embedded CE, , ;
• , ICD - SIM, , . , , ICD, SIM ICE, Windows, , . , Microsoft ;
• ICD Windows Store, Win32. , ;
• (, ) Windows 10 Enterprise LTSB 2015, Assigned Access, Windows. , Windows ;
• WPAF Provisioning Framework ICD. , Unattend Framework , ;
• Windows 10 IoT Enterprise Windows 10 Enterprise, , , , BitLocker. (Store) . ;
• Windows 10 IoT Core Windows ( ).
• , , Windows

。

Windows 10 IoT Enterprise [23].

, Microsoft « », www.quarta-embedded.ru


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