Die Entwicklung von Windows für die ARM-Prozessorarchitektur

Die Entwicklung von Windows 8

Einblicke in die Arbeit des Windows-Entwicklerteams

Die Entwicklung von Windows für die ARM-Prozessorarchitektur

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Einer der bedeutenden Aspekte von Microsoft Windows war immer die Flexibilität, mit der sich die Architektur im Lauf der Zeit an technologische Neuerungen und den ausgedehnteren Einsatz durch Kunden angepasst hat. War Windows zu Beginn noch ein auf einzelne Benutzer ausgelegtes Betriebssystem, die alleine Produktivitätssoftware einsetzen, so gibt es jetzt unterschiedlichste Hardware- und Softwaretechnologien, ein ganzes Spektrum zusammengehörender Windows-Produkte und enorme Flexibilitätsanforderungen an die Computernutzung. Mit Windows 8 haben wir Windows praktisch neu erfunden – vom Chipsatz bis hin zur Benutzeroberfläche. Ein erheblicher Teil dieser Innovation beruht darauf, die ARM®-Prozessorarchitektur für Windows nutzbar zu machen. Der Erweiterung des Konzepts "PC" auf einen deutlich größeren Bereich von Bauformen und Designs, als heute vorstellbar ist, kommt ebenfalls eine große Bedeutung zu. Die durch Windows on ARM ermöglichte Kreativität beim PC-Design in Kombination mit den neu entworfenen Funktionen des Windows-Betriebssystems erlaubt neue Computer, bei denen Verbraucher keine Kompromisse eingehen müssen.

Dieser Beitrag behandelt die technischen Grundlagen des Konzepts, das im Rahmen dieses Beitrags als Windows on ARM oder WOA bezeichnet werden soll. WOA ist ein neues Mitglied der Windows-Familie, ähnlich wie Windows Server, Windows Embedded oder Windows Phone. Genau wie diese Produkte baut auch WOA auf den Grundlagen von Windows auf, verfügt über ein hohes Maß an Einheitlichkeit und erhebliche Codegemeinsamkeiten mit Windows 8 und wird als Teil des größten Computerökosystems der Welt entwickelt, vertrieben und unterstützt. In diesem Beitrag liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung von WOA, einigen neuen Funktionen und Informationen zur Benutzerfreundlichkeit. Ähnlich wie bei Windows 8 für x86-/x64-Systeme werden noch weitere Ankündigungen in Bezug auf Geschäfts- und Marketingaspekte für diese Produkte folgen. Im heutige Blogbeitrag wird die Entwicklung von WOA und nicht dessen Marketing oder Verkauf behandelt.

Auch wenn sich dieser Beitrag nur um unsere Arbeit an WOA dreht, sei angemerkt, dass wir bei keiner Windows-Veröffentlichung zuvor so eng mit Intel und AMD zusammengearbeitet haben, um die volle Breite des PC-Bereichs abzudecken. Innovationen von Windows 8 für leistungsstarke x86-/x64-Prozessoren und die Arbeit an neuen Prozessoren mit niedrigem Energieverbrauch (z. B. die Präsentationen von Intel auf der CES), erfordern gleichermaßen ernsthaftes Engagement, noch größere Investitionen in die Entwicklung, zuverlässige neue Entwürfe und eine verbesserte Architektur für Windows über Plattformgrenzen hinweg. Dieser Beitrag handelt zunächst von unseren Entwicklungen für ARM-Prozessoren. Dabei sollte jedoch berücksichtigt werden, dass ein Großteil der beschriebenen Arbeiten neben den Neuerungen für die ARM-Plattform auch direkte Auswirkungen auf die x86-/x64-Plattform und Windows 8 hat. Wir warten mit Spannung auf die neuen Produkte von Intel und AMD, deren Technologie Teil von Windows 8 sein wird. Einerseits können auf diesen unterschiedlichsten PC-Bauformen (einschließlich von Tablets, Notebooks, Ultrabooks™, All-In-One-PCs, Desktopcomputern und mehr) die neuen Möglichkeiten von Windows 8 eingesetzt werden, andererseits kann Windows 8 die Vorteile von verschiedenen neuen Hardwarefunktionen nutzen.

Wenn Sie WOA das erste Mal verwenden, wird sich der Eindruck nicht von Windows 8 auf x86-/x64-Systemen unterscheiden. Sie melden sich auf die gleiche Weise an. Sie führen Apps auf die gleiche Weise aus. Sie verwenden den neuen Windows Store auf die gleiche Weise. Sie verfügen über Zugriff auf die wesentlichen Funktionen von Windows, angefangen beim neuen Startbildschirm und den Apps im Metro-Stil über Internet Explorer bis hin zu Peripheriegeräten. Wenn gewünscht, steht natürlich auch der Windows-Desktop mit Tools wie dem Windows-Datei-Explorer und der Desktopversion von Internet Explorer zur Verfügung. Auch die Bedienung erfolgt so schnell und flüssig wie gewohnt. Anders gesagt: WOA wurde so entwickelt, dass es Ihnen das gewohnte Erscheinungsbild bietet. WOA erlaubt eine große Kreativität beim Entwerfen von PCs, die, in Kombination mit den neu entworfenen Funktionen des Betriebssystems, neue Computer mit einer Benutzerfreundlichkeit ohne Kompromisse ermöglicht.

Wie schon zuvor möchten wir uns auch in diesem Die Entwicklung von Windows 8-Beitrag ausführlich mit dem Thema beschäftigen. Daher halten wir es für eine gute Idee, zunächst die Hauptpunkte zusammenzufassen, bevor wir auf die Details eingehen.

  • Windows on ARM, oder WOA, ist eine neues Mitglied der Windows-Familie und baut auf den Grundlagen von Windows auf. Es bietet ein hohes Maß an Einheitlichkeit und erhebliche Codegemeinsamkeiten mit Windows 8 und wird als Teil des größten Computerökosystems der Welt entwickelt, vertrieben und unterstützt. WOA wurde entwickelt, um neue Arten von PCs mit einzigartigen Fähigkeiten und Bauformen zu ermöglichen. Dies wird von neuen Partnern unterstützt, die eine wertvolle Erweiterung des Windows-Partnernetzwerks darstellen.
  • WOA-PCs befinden sich immer noch im Entwicklungsstadium. Unser gemeinsames Ziel ist, dass der Verkauf durch PC-Hersteller zum gleichen Zeitpunkt anläuft wie x86-/x64-PCs mit Windows 8. Diese PCs basieren auf einzigartigen und innovativen Hardwareplattformen von NVIDIA, Qualcomm und Texas Instruments, wobei das Windows on ARM-Betriebssystem die gemeinsame Grundlage darstellt, und alle Systeme dieselben Windows-Binärdateien einsetzen – ein branchenweit einmaliger Ansatz. PC-Hersteller sind intensiv mit PCs beschäftigt, die von Grund auf exklusiv für eine hervorragende Leistung mit WOA entworfen werden.
  • Die Apps im Metro-Stil aus dem Windows Store sind gleichermaßen für WOA und Windows 8 auf x86-/x64-Systemen geeignet. An WOA interessierte Entwickler können Apps für WinRT (Windows-APIs für das Erstellen von Apps im Metro-Stil) mithilfe der neuen Visual Studio 11-Tools schreiben – in verschiedenen Programmiersprachen, einschließlich C#/VB/XAML und JScript/HTML5. Auf WinRT ausgerichteter systemeigener Code wird mithilfe von C und C++ ebenfalls unterstützt, sodass Zielgruppen über Architekturgrenzen hinweg adressiert werden können. Der Vertrieb erfolgt über den Windows Store. Das Ausführen, Emulieren oder Portieren bestehender x86-/x64-Desktop-Apps wird von WOA jedoch nicht unterstützt. Code, der nur System- oder Betriebssystemdienste von WinRT nutzt, kann innerhalb einer App verwendet und über den Windows Store sowohl für WOA- als auch für x86-/x64-Systeme bereitgestellt werden. Die Verbraucher beziehen ihre gesamte Software (einschließlich von Gerätetreibern) über den Windows Store und Microsoft Update oder Windows Update.
  • WOA unterstützt alle neuen Apps im Metro-Stil, einschließlich Microsoft-Apps für E-Mails, Kalender, Kontakte, Fotos und Speicher. WOA bietet außerdem mit Internet Explorer 10 branchenführende Unterstützung für hardwarebeschleunigtes HTML5. Zudem wird WOA weitere branchenübliche Medienformate (einschließlich Formate mit Hardwarebeschleunigung und Abladungsverarbeitung) und Standarddokumentformate unterstützen. Die Entscheidung, welche Apps verwendet und welche Formate unterstützt werden, sollte aus Sicht von Microsoft jedoch stets in der Hand des Endbenutzers liegen.
  • In WOA sind aktuelle Desktopversionen von Microsoft Word, Excel, PowerPoint und OneNote enthalten. Diese neuen Office-Anwendungen mit dem Codenamen "Office 15" wurden so entwickelt, dass einerseits Touchbedienung und ein minimaler Energie-/Ressourcenverbrauch möglich sind, andererseits aber auch der komplette Funktionsumfang für die Verbraucher und vollständige Dokumentkompatibilität gewährleistet werden können. WOA unterstützt die Benutzerfreundlichkeit des Windows-Desktops, einschließlich des Datei-Explorers, der Desktopversion von Internet Explorer 10 und anderer charakteristischer Funktionen, die speziell für die Touchbedienung und einen minimalen Energie-/Ressourcenverbrauch entwickelt wurden.
  • Mit WOA können Sie sich auf integrierte End-to-End-Produkte freuen – Hardware, Firmware und WOA-Software, die alle von Grund auf neu entwickelt wurden. WOA wurde dank langfristiger Entwicklungsbemühungen von Microsoft, ARM-Lizenznehmern, PC-Herstellern sowie Entwicklern von Komponenten und Peripheriegeräten gemeinsam erarbeitet. Hierbei galt es, vielfältige Subsysteme für WOA neu zu erstellen oder erheblich umzugestalten. Ziel unserer Partner ist es, WOA-PCs als integrierte End-to-End-Produkte anzubieten, einschließlich Hardware, Firmware und Windows on ARM-Software. Windows on ARM-Software wird nicht getrennt von neuen WOA-PCs verkauft und vermarktet, genau wie Sie es von Heimelektronikgeräten gewöhnt sind, die aus einer Kombination von individueller, integrierter Hardware und Software bestehen. Die bereitgestellte Software wird dabei während der gesamten normalen Lebensdauer des PCs gewartet und verbessert.
  • Zum nächsten Milestone Release von Windows 8 für x86-/x64-Systeme wird eine begrenzte Anzahl von Test-PCs für Entwickler und Hardwarepartner bereitgestellt (geschlossenes Programm, nur auf Einladung). Auf diesen Geräten wird die gleiche Windows 8-Version für x86-/x64-Systeme ausgeführt, die zu dieser Zeit allgemein veröffentlicht wird. Daher handelt es sich nicht um Testmodelle oder -studien für kommende PCs, sondern um Tools für Hardware- und Softwareentwickler mit WOA-spezifischer Hardware.
  • Die Windows Consumer Preview ist die Betaversion von Windows 8 für x86-/x64-Systeme und wird Ende Februar als Download erhältlich sein. Dieser nächste Windows 8-Meilenstein ist in verschiedenen Sprachen als öffentlicher Download verfügbar.

Dieser Beitrag ist in folgende Abschnitte unterteilt: Zusammenarbeit mit Partnern, Bereitstellen von Apps, ARM-Technologie (hier werden die verschiedenen Subsysteme erörtert), Entwickeln für die ARM-Architektur, Einführung von WOA-PCs und die nächsten Schritte.

Außerdem haben wir ein kurzes Video mit einer WOA-Demo vorbereitet.


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Zusammenarbeit mit Partnern

Am Anfang der Entwicklung von WOA stand eine Partnerschaft mit Unternehmen, die ARM-Prozessoren fertigen und diese mit den erforderlichen Subsystemen kombinieren, um die Entsprechung eines Motherboards (Hauptplatine) herzustellen. Anders als herkömmliche Hauptplatinen kann man sich eine WOA-Platine als eine Art Siliziumpaket vorstellen – eine Reihe von auf kleinstem Raum kombinierten Siliziumschichten, die als System on Chip (Ein-Chip-System), kurz SoC, bezeichnet wird.

Eine Hand mit einem Ein-Chip-System (System on Chip, SoC) auf der Fingerkuppe
Vorstellung eines Ein-Chip-Systems (System on Chip, SoC) auf der CES 2011. (Julie Jacobson, Associated Press)

Jeder ARM-Lizenznehmer, der solche Pakete fertigt, verfolgt einen anderen Ansatz bei Funktionsauswahl und -kompromissen oder dem Design des gesamten Pakets. Die große Vielfalt unterschiedlicher ARM-Produkte auf dem Markt beruht auf diesen Entscheidungen. Es gibt nicht nur "das eine" ARM-Produkt, und wie sich bei anderen Betriebssystemen zeigte, kann dieselbe ARM-CPU völlig andere Ergebnisse und Qualität bieten, wenn sie mit verschiedenen Komponenten, Treibern und Software kombiniert wird. Dies ist einer der Gründe, weshalb wir von Beginn des WOA-Projekts an mit drei verschiedenen ARM-Lizenznehmern zusammengearbeitet haben: NVIDIA, Qualcomm und Texas Instruments. Jedes dieser Unternehmen bringt unterschiedliches Fachwissen und andere Ansätze mit, und alle haben einzigartige Beträge zu WOA geleistet. Alle drei Unternehmen bieten bereits heute überaus erfolgreiche ARM-basierte Produkte auf dem Markt an: Tablets, Smartphones, E-Reader und eingebettete Geräte. Wir können uns glücklich schätzen, mit derart wertvollen Partnern zusammenzuarbeiten und diese Vielfalt für WOA nutzen zu können.

Ein SoC-Paket an sich bildet nur den Anfang. Für die Bereitstellung von WOA-PCs sind weitere Partnerschaften mit PC-Herstellern erforderlich, die ihr Fachwissen bei Herstellung, Systemtechnik und Industriedesign einfließen lassen, um in Kombination mit der Techologiekompetenz unserer ARM-Partner vollständig ausgereifte PCs zu entwickeln. PC-Hersteller verfügen außerdem über die Kenntnisse, PCs über die unterschiedlichsten Vertriebswege an Verbraucher und Unternehmen zu verkaufen und entsprechend langfristigen Support anzubieten.

Die Rolle von Microsoft bei diesen Partnerschaften besteht darin, ein Windows-Betriebssystem bereitzustellen, das für diesen neuen Hardwaretyp, neue Szenarien und neue technische Herausforderungen optimiert ist. Vom Chipsatz über Firmware, Hardware, Betriebssystem und Apps bis hin zum Anwender, der den PC verwendet – das Ziel bei einer Neuentwicklung von Windows ist die problemlose Zusammenarbeit. Dieses neue Maß an Beteiligung bringt für alle involvierten Parteien erhebliche Entwicklungsarbeiten mit sich. Der neue Ansatz zielt auf die Bereitstellung einer einzigartigen Kombination von Auswahlmöglichkeiten, Erfahrungen und zuverlässiger End-to-End-Oberflächen während der Lebensdauer eines PCs ab.

Bereitstellen von Apps

Bevor wir uns ausführlich mit den Änderungen der zugrundeliegenden Windows-Implementierungen befassen, die für die Unterstützung von ARM-Hardware erforderlich sind, möchten wir zunächst erläutern, welche Apps Microsoft anbieten wird. (Wir freuen uns alle, dass der Begriff "App" wieder an Bedeutung gewinnt, denn bereits auf meiner ersten Microsoft-Visitenkarte stand im Jahre 1989 der Titel Software Design Engineer in Apps Tools, Apps Division.)

Die verschiedenen Editionen oder SKUs für die neuen Windows-Produkte wurden noch nicht bekannt gegeben, in der Vorabversionsphase sind jedoch praktisch alle Funktionen in die Software integriert, um mit der Vollversion des Produkts testen und üben zu können. Sie können sicher sein, dass wir die Funktionen für einzelne WOA-Angebote so anpassen werden, dass diese wettbewerbsfähig sind und ein überzeugendes Wertangebot für die unterschiedlichsten Typen von Kunden darstellen.

Wie bereits auf der //build/-Konferenz und in anderen Foren angekündigt und gezeigt, verfügt WOA über alle WinRT-Fähigkeiten, die in der Windows Developer Preview enthalten waren. Außerdem stehen alle Tools und Techniken, mit denen Sie neue Apps im Metro-Stil für x86-/x64-Systeme erstellen können, auch für an WOA interessierte Entwickler zur Verfügung. Entwickler können unsere Tools verwenden, um systemeigenen C/C++-Code für maximale Leistung und Flexibilität zu schreiben. Außerdem stehen Tools auf Basis von C#, XAML, VB und HTML5 zur Verfügung, um Apps für WOA zu entwickeln, sofern deren Code auf die WinRT-APIs ausgerichtet ist. Entwickler, die bereits über Code verfügen (gleichgültig, ob in C, C++, C#, Visual Basic oder JavaScript), können diesen Code nach Wunsch in ihre Apps integrieren, wenn dieser Code auf die WinRT-APIs für Windows-Dienste ausgerichtet ist. Im Windows Store können sowohl die ARM- als auch x86-/x64-Implementierungen von Apps aufgenommen, vertrieben und unterstützt werden (falls in der App systemeigener Code enthalten ist, der zwei verschiedene Versionen erforderlich macht).

Außerdem haben wir bereits zuvor die neuen Microsoft-Apps im Metro-Stil vorgestellt, mit denen eine Verbindung zu Cloud-basierten Diensten möglich ist, z. B. Hotmail, SkyDrive, Messenger und – mithilfe dieser Dienste – zu einer Vielzahl von Drittanbietern. Unsere E-Mail-App stellt beispielsweise eine Verbindung mithilfe von EAS her; dieser branchenweite Standard bietet verschiedene E-Mail-, Kalender- und Kontaktfunktionen für Privatpersonen und Unternehmen. Mit den vorhandenen Möglichkeiten von Live Connect können Sie mit Ihren Freunden auf Facebook chatten und sich über Ihre LinkedIn- oder Twitter-Feeds auf dem Laufenden halten – alles in einer einzigen App im Metro-Stil. Dies sind nur einige Beispiele der weltweit über 100 verschiedenen Dienste, auf die Sie über Ihr Microsoft-Konto zugreifen können. Diese Apps werden mit WOA bereitgestellt. Selbstverständlich können sie aber auch jederzeit entfernt oder andere andere Standardeinstellungen festgelegt werden, oder Benutzer können über den Windows Store ähnliche Apps von Drittanbietern herunterladen. Außerdem können alle Apps im Metro-Stil im Windows Store mit beliebigen Diensten verwendet werden, mit oder ohne Nutzung von Microsoft-Diensten – sowohl bei Anmeldung, Kommunikation, App-internen Käufen oder Werbediensten.

In der nächsten Vorabversion von Windows 8 werden auch Microsoft-Apps im Metro-Stil vorgestellt, die eine Vielfalt von branchenüblichen Medien- und Dokumentformaten unterstützen, sowie Internet Explorer 10 mit Unterstützung für die Standardwebplattform HTML5. Unserer Meinung nach ist der Grad an Unterstützung von Standards bei WOA führend und hinsichtlich des Umfangs mit Konkurrenzprodukten vergleichbar. Zudem möchten wir natürlich auch eine Führungsrolle dabei einnehmen, Endbenutzern die Wahl und Kontrolle darüber zu bieten, welche Apps installiert sind und ausgeführt werden.

Die Verfügbarkeit des Windows-Desktops ist ein wichtiger Bestandteil von WOA. Der Desktop bietet eine vertraute Umgebung für die PC-Nutzung, insbesondere in Bezug auf Dateien, Speicher und Netzwerke sowie eine Vielzahl an Peripheriegeräten. Mit Windows-Explorer können Sie beispielsweise eine Verbindung zu externen Speichergeräten herstellen, Daten von einer Netzwerkfreigabe übertragen und verwalten oder mehrere Monitore verwenden – alles wahlweise mit oder ohne angeschlossener Tastatur und Maus. All diese Vorgänge sind vertraut, schnell, effizient und praktisch. Sie haben Zugriff auf eine umfangreiche Palette an Systemsteuerungseinstellungen, die Ihnen ggf. noch mehr Kontrollmöglichkeiten für das System bieten. Wenn Sie die Developer Preview bereits auf einem PC mit Touchscreen verwendet haben, wissen Sie auch, dass der Desktop mit einer verbesserten Benutzeroberfläche für die Touchbedienung optimiert wurde.

Gleichzeitig ist WOA (wie Windows 8) so konzipiert, dass Kunden, die sich auf Apps im Metro-Stil konzentrieren, keine Zeit auf dem Desktop verbringen müssen. Die Verfügbarkeit des Desktops führt zu keinem Mehraufwand bei der Laufzeit. Er ist einfach da, wenn Sie ihn brauchen. Nachfolgend wird die Technologie hinter den Kulissen erläutert, die dafür sorgt, dass die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung des Systems sowie der Energieverbrauch eines WOA-PCs durch die Verfügbarkeit des Desktops nicht beeinträchtigt werden. Diejenigen von Ihnen, die die Developer Preview getestet haben, werden feststellen, dass die Benutzeroberfläche weiterentwickelt wurde, und in der bevorstehenden Consumer Preview werden Sie eine Vielzahl von Verbesserungen entdecken.

Manche haben vorgeschlagen, den Desktop aus WOA zu entfernen, um mit der Vergangenheit zu brechen und um einen minimalistischeren bzw. radikaleren Ansatz zu verfolgen. Wir wollten bei der Weiterentwicklung von PCs jedoch keinen Kompromiss eingehen, bei dem etwas Nützliches, das Kunden nicht stört, einfach aufgegeben wird. Das Vorhandensein verschiedener Modelle ist Teil jeder Plattform. Ob es den Übergang zu einem zukünftigen Programmiermodell (z. B. das Einbinden einer Virtualisierungs- oder Emulationslösung, soweit möglich), das Umsetzen verschiedener Programmiermodelle auf einer Plattform (systemeigene und webbasierte Apps, wenn beides gefragt ist) oder verschiedene Arbeitsmethoden (Befehlsshell oder GUI für unterschiedliche Szenarien) geht – das Vorhandensein verschiedener Modelle bedeutet eine flexible Lösung, die ohne Kompromisse auf jeder Plattform eingesetzt werden kann.

Auf dem Windows-Desktop sind in WOA neue Desktopversionen von Microsoft Word, Excel, PowerPoint und OneNote (Codename "Office 15") enthalten. WOA ist ein Produkt ohne Kompromisse für Anwender, die die Vorteile von vertrauter Office-Produktivitätssoftware und -Kompatibilität, eines branchenweit führenden hardwarebeschleunigten Webbrowsers, Microsoft-Apps sowie Zugang zu Apps im Windows Store voll ausschöpfen möchten.

Dadurch entsteht ein WOA-PC, der die volle Leistung von Apps, Mediennutzung, Unterhaltung, Mobilität und Produktivität als Komplettgerät ohne Kompromisse bietet. Die neuen Office-Anwendungen für WOA wurden speziell für Touchbedienung und minimalen Energie-/Ressourcenverbrauch konzipiert. Diese technische Arbeit ist ein wichtiger Teil bei der Bereitstellung von Office-Software mit WOA, da es sich dabei nicht einfach um Neukompilierungen oder Portierungen, sondern um eine umfangreiche Neuentwicklung der Produkte handelt, mit vollständiger und einheitlicher Benutzeroberfläche sowie Konsistenz mit den entsprechenden neuen x86/64-Gegenstücken.

Weitere Informationen zur neuen Version von Microsoft Office mit dem Codenamen "Office 15" finden Sie im Office Exec-Blog.

ARM-Technologie

Es stellt eine bedeutende technische Aufgabe dar, Windows für die problemlose Ausführung auf der ARM-Architektur zu gestalten. Wir haben diese Herausforderung angenommen, da beim Blick in die Zukunft deutlich wird, dass viele der im Laufe der Jahre zu Windows hinzugefügten Funktionen für Kunden unabdingbar sind, und zwar auf Gerätetypen, die auf den heutigen ARM-basierten Produkten beruhen. Änderungen an Formfaktoren und der Wunsch nach Mobilität ergänzen nur die Szenarien und Funktionalitäten, die bei der Suche nach einem PC ohne Kompromisse berücksichtigt werden müssen. Es ist zwar verführerisch, kühne Behauptungen über einen "vollständigen Neuanfang" aufzustellen, wir glauben jedoch an die Weiterentwicklung von technischen Errungenschaften, wenn die Grundlage fundiert ist. Die Grundlage von Windows, der Kern, ist eine der solidesten, skalierbarsten und sichersten überhaupt. Unser Wunsch nach einer kompromisslosen Neugestaltung dient uns dabei als Hauptmotivation.

Wir wissen auch, dass bestimmte Komponenten von Windows neu entwickelt werden müssen, um den Anforderungen der Kunden in Bezug auf Zuverlässigkeit, Energieverbrauch, Ressourcennutzung sowie unmittelbare Konnektivität und Verfügbarkeit gerecht zu werden. Natürlich ist all diese Arbeit auch für Windows 8 auf x86/64-Produkten relevant, und viele der für ARM entwickelten Technologien werden auch für die spannenden neuen Produkte von Intel und AMD genutzt (die nicht Gegenstand dieses Beitrags sind). ARM gewährt uns Einblicke in die Annahmen in Bezug auf Betriebssystemverhalten und Programmiermodelle, die zu wesentlichen Verbesserungen beitragen können.

Einer der neuen auffälligen Aspekte von WOA ist, dass ein WOA-PC nicht ausgeschaltet wird. WOA-PCs verfügen nicht über die herkömmlichen vertrauten Optionen für Standby oder Ruhezustand. Stattdessen werden WOA-PCs immer im neu entwickelten Energiemodus Connected Standby betrieben, ähnlich wie moderne Handys. Wenn der Bildschirm eingeschaltet ist, haben Sie Zugriff auf die volle Leistung und Funktionalität des WOA-PCs. Wenn sich der Bildschirm abdunkelt (durch Drücken der Ein-/Ausschalttaste oder durch den Timer), wechselt der PC in einen neuen, sehr energiearmen Modus, mit dem der Akku wochenlang durchhält. Darüber hinaus passt das System den Energieverbrauch ständig dynamisch an und ist immer auf der Suche nach Möglichkeiten, die Energiezufuhr an nicht verwendete Systemkomponenten zu verringern. Eine einzigartige Fähigkeit von WOA für Endbenutzer ist, dass Sie die Kontrolle darüber haben, welche Programme im Hintergrund ausgeführt werden können, sodass diese Apps ständig verbunden bleiben und Informationen wie z. B. E-Mails ständig auf dem neuesten Stand sind. Connected Standby durchdringt die Technologie der WOA-PCs von der Hardware bis zu Firmware, Betriebssystem, WinRT-Plattform und Apps. Connected Standby ist nicht auf die ARM-Architektur eingeschränkt, und wir arbeiten derzeit auch für x86/64-SoC-Produkte an dieser Funktionalität.

Heute sind wir mit PCs vertraut, deren Hardware für die Ausführung von Windows unter x86/x64 eine Reihe technischer Spezifikationen einhält, durch die der gleiche Windows-Code auf einer Vielzahl von PCs installiert und ausgeführt werden kann. Dies bietet enorme Vorteile bei der Skalierung. Diese Offenheit ist auch das Markenzeichen der PC-Revolution und steht für die gemeinschaftliche Arbeit der Branche seit ca. 1980. Wenn neue Hardware herausgebracht wird, die breite Unterstützung findet, werden diese grundlegenden Spezifikationen gemeinsam mit der PC-Architektur weiterentwickelt. Windows 8 wird an diesem Ansatz absolut nichts ändern. Wie Millionen von Menschen bei unserer Windows 8 Developer Preview erlebt haben, kann Windows 8 auf jedem PC mit Windows 7-Logo ausgeführt werden und ist mit allen bestehenden Softwareprodukten und Peripheriegeräten kompatibel, die von Windows 7 unterstützt werden (soweit vom Hersteller unter Windows 8 unterstützt).

Der Ansatz von ARM Holdings, dem Lizenzgeber von ARM-Produkten, ist absichtlich nicht auf diese Weise standardisiert. Jedes Gerät der einzelnen Hersteller sowie die darauf ausgeführte Software sind einzigartig. Natürlich gibt es einen standardmäßigen Anweisungssatz und eine CPU-Architektur, die ständig verbessert wird (z. B. durch 64-Bit-Unterstützung und Multi-Core). Viele der Verbindungen zwischen der CPU und anderen Komponenten gehören jedoch zu den Innovationen, die von den Lizenznehmern in die ARM-Plattform eingebracht werden. Unter der Haube können sich Geräte zwar ähneln, dies ist für Kunden jedoch nicht von Bedeutung. Für Endbenutzer ist es technisch unterbunden, auf einem Gerät ein anderes Betriebssystem (oder eine Betriebssystemversion) zu installieren oder das Betriebssystem zu erweitern. Im Allgemeinen wird dies von den Geräteherstellern fast nie unterstützt. Geräte werden von den Herstellern in Zusammenarbeit mit ARM-Partnern entwickelt und mit einem speziellen, streng festgelegten Softwaresatz ausgestattet (gelegentlich auch umgekehrt). Die Kunden erwerben dieses Komplettpaket, das anschließend durch eine einzige Pipeline gewartet und aktualisiert wird. Die partnerübergreifende, integrierte Entwicklung solcher eingebetteten Geräte ist maßgeblich. Dies unterscheidet sich in deutlicher Weise von Windows in der x86/x64-Umgebung.

Bei WOA war unser Ziel, eine neue Methode für die Entwicklung einer Computerplattform zu definieren. Durch unseren Ansatz wurde sichergestellt, dass sämtliche Software und Peripheriegeräte von der durch die ARM-Architektur ermöglichten Vielfalt profitieren können, einhergehend mit der freien Wahl von Formfaktoren und Herstellern sowie der Offenheit der Plattform. Gleichzeitig gehen wir unseren Kunden gegenüber die Verpflichtung ein, dass Funktionalität, Verhalten und Basisleistung von WOA stets konsistent sind. Damit hat WOA einige Elemente mit dem Ansatz für Windows Phone 7, der Rahmenspezifikation, gemeinsam. Die für WOA implementierten Spezifikationen ermöglichen mehr Vielfalt über viele Dimensionen hinweg, in Kombination mit dem gewohnten Einsatz hinsichtlich der Technologie- und Produktgüte – und all dies, während auf WOA-PCs immer die gleichen Betriebssystem-Binärdateien genutzt werden.

Die Entwicklung für ARM beginnt mit der Architektur des Windows-Kernels, damit dieser unter ARM gestartet und ausgeführt werden kann. Wie Sie sich vorstellen können, ist dies mit viel Aufwand verbunden. Manche glauben vielleicht, dass diese Arbeit lediglich aus dem Portieren oder Neukompilieren des Codes für ein neues Anweisungsset besteht. Es gibt jedoch wesentlich mehr zu tun, wenn es um den Kernel und die Windows-Komponenten geht, die mit der Hardware verbunden werden. Neben der Arbeit am Kernel mussten wir auch ARM-Compiler und -Tools (einschließlich Visual Studio) entwickeln, um Windows zu erstellen.

Auf höherer Ebene (der Anwendungsschicht) ist der Code aufgrund unserer langen Geschichte der Ausführung auf verschiedenen Architekturen (x86, x64, PowerPC, Alpha, MIPS, IA64 usw.) weitgehend portierbar. Auch eine bedeutende Menge Code des Kernels selbst kann portiert werden. An der Nahtstelle zwischen Hardware und Software sowie überall, wo Prämissen über die Interaktion zwischen Betriebssystem und Hardware aufgestellt werden, wurde Windows für die neue Plattform neu entworfen. Um dem Ganzen noch ein paar Akronyme hinzuzufügen: Die ARM-Definition erfordert keine Unterstützung für einige verbreitete Subsysteme wie den PCI-Bus oder SATA. Es gibt analoge Konzepte, die in jeder ARM-Implementierung umgesetzt werden, diese sind jedoch nicht immer geläufig. All dies erfolgte im Verlauf von drei großen Überarbeitungen der ARM-Hardware seit Beginn des Projekts.

Sehen wir uns ein paar der Aufgaben an, die im Rahmen dieser Arbeiten ausgeführt wurden und die wir intern als "Portieren" bezeichneten, obwohl es tatsächlich um weitaus mehr geht. Berücksichtigen Sie, dass sämtliche dieser Arbeiten parallel zu der Entwicklung von Benutzeroberfläche, Windows Store, WinRT und neuen Features in Windows 8 stattgefunden haben.

Vorbereiten der Portierung

Bevor die Portierungsarbeiten überhaupt beginnen konnten, benötigten wir einen ARM-Compiler und eine ARM-Toolkette zum Erstellen des Windows-Builds. Da ARM-Prozessoren in anderen Microsoft-Produkten (z. B. Windows Phone und Embedded) eingesetzt werden, hatten wir diese Komponenten bereits zur Hand, optimierten sie jedoch im Hinblick auf Windows-Builds. Diese Tools werden Entwicklern zur Verfügung gestellt, und wenn Sie in der Windows 8 Developer Preview C#/VB/XAML/HTML5 verwenden, sind Sie bereits an Bord. Für C/C++ ist zu Testzwecken systemeigene ARM-Hardware erforderlich. Dieser Punkt wird weiter unten erläutert.

Starten des Kerns von Windows

Nachdem wir die Tools zusammengestellt hatten, konnten wir mit dem Portieren der Windows-Startumgebung und dem Entwickeln von Spezifikationen für die Systemfirmware beginnen. Wir haben sogar selbst einen Prototyp der Firmware erstellt. Dabei gibt es mehrere Bestandteile:

  • UEFI-Firmware ist die niedrigste Ebene eines WOA-Systems und stellt konsistente Dienste zum Laden des Betriebssystems bereit. Für WOA haben wir Firmware für einen Bootstrap des Systems erstellt, das wir an unsere Partner ausgehändigt haben. WOA-Systeme beinhalten auch ein firmwarebasiertes TPM für vertrauenswürdiges Starten und Speicherverschlüsselung. Mithilfe des TPM haben wir beispielsweise das vertrauenswürdige Starten implementiert, mit dem eine Manipulation des Systems durch Schadsoftware ausgeschlossen wird.
  • ACPI-Firmware wird für die Plug & Play-Enumeration von Geräten auf der Plattform während des Systemstarts verwendet und ist außerdem für die Energieverwaltung von Geräten außerhalb des SoC (z. B. Sensoren, Touchcontroller usw.) verantwortlich. Im Laufe der Jahre wurden Computer mit Plug & Play-Bussen und ACPI standardisiert, sodass die Betriebssystemsoftware und Treiber "die Struktur durchlaufen" können, um alles auf einem PC zu finden. Bei eingebetteten SoC-Entwürfen gibt es keine "Struktur" oder Möglichkeit, um zu ermitteln, was mit einem SoC verbunden ist, oder sogar auf welche Weise das SoC verbunden ist. Im Rahmen von Windows 8 haben wir einen neuen Standard definiert, um die Konfiguration des Systems mit Tabellen zu beschreiben, sodass Software einfach die Tabelle lesen und das System konfigurieren kann.

Über die Firmware kann das System dann den Start-Manager, das Startladeprogramm und anschließend den Kernel, die Hardwareabstraktionsschicht sowie Startgerätetreiber laden.

  • Die Windows-Hardwareabstraktionsschicht (HAL, Hardware Abstraction Layer) unterstützt Variationen bei Kernsystemressourcen (Zeitgeber, direkten Speicherzugriff, Interruptcontroller). Von Anfang an wurde Windows für die Unterstützung mehrerer Anweisungsset-Architekturen (ISA, Instruction Set Architecture) entworfen, und die HAL ist die Voraussetzung für die Anpassung an unterschiedliche Systemarchitekturen, die oftmals mit einer neuen ISA einhergehen. Durch Abstrahieren der Hardwareschichten muss das eigentliche Betriebssystem zwecks Anpassung an ein neues SoC für Kernsystemressourcen nicht modifiziert werden. Die Unterschiede zwischen ARM-Plattformen sind so beträchtlich, dass wir die HAL zur Unterstützung einer neuen Funktionsebene der Abstraktion konzipiert haben. Neu an der Windows 8-HAL ist die Fähigkeit, dass jede der Kernsystemressourcen über eine Erweiterung mit der HAL verbunden werden kann, ähnlich wie ein Treiber für den Interruptcontroller.
Geräte und Busse

Um Gerätetreiber zu laden und den Windows-Systemstart fortzusetzen, mussten wir mehrere neue Treiber für neue Bustypen mit niedrigem Energieverbrauch sowie Gerätetreiber zur Unterstützung der Verbindungen mit diesen Bussen erstellen.

Im Rahmen unserer Gerätestrategie werden in großem Umfang standardisierte Protokolle und Klassentreiber eingesetzt. Unser erstes im Folgenden aufgeführtes Beispiel ist der HID over I2C-Treiber, den wir für Touchcontroller und viele Sensoren verwenden. Ein weiteres ist der Klassentreiber für über USB verbundene mobile Breitbandadapter. Natürlich verfügt Windows über viele integrierte Klassentreiber, was Sie bemerken werden, wenn Sie eine Vielzahl von USB-Geräten anschließen, wie Speichersticks, Mäuse oder Tastaturen.

  • Serielle Busse mit niedrigem Energieverbrauch, wie I2C/UART, werden in ARM-PCs die Norm und in x86-PCs weniger verbreitet sein. Diese Busse haben im Allgemeinen eine geringere Datentransferrate, verbrauchen jedoch nur sehr wenig Energie, in manchen Fällen zehnmal weniger. Die Unterstützung dieser Busse ist entscheidend für die Verringerung des Gesamtenergieverbrauchs von WOA und eine verlängerte Akkulebensdauer. Zusammenfassend werden diese Busse als Simple Peripheral Bus (SPB) bezeichnet, und wir haben für sie in WOA neue Schnittstellen entwickelt. Nachdem wir die Schnittstellen hatten, mussten wir eine Lücke schließen. In Windows gibt es viele Geräteklassen, die per Klassentreiber über USB systemeigen unterstützt werden. Diese Klassen sind in I2C nicht definiert und weisen daher keine Klassentreiberunterstützung auf. Eine weit verbreitete Klasse von Geräten beruht auf dem HID-Protokoll (Human Interaction Device). HID ist das standardmäßige Protokoll für Geräte wie Tastaturen, Mäuse, Touchpads, Lautsprecher, Tasten, Touchscreens usw. Durch das Definieren eines standardisierten Protokolls und das Implementieren von Treiberunterstützung für HID over I2C können wir mit Partnern zusammenarbeiten, damit diese die Firmware ihrer I2C-basierten Geräte so anpassen, dass sie mit einem einzigen Klassentreiber funktionieren. Durch die Unterstützung von HID over I2C können Touchcontroller beispielsweise diese Schnittstelle und die Eingabeunterstützung nutzen, über die Windows bereits verfügt.
  • Mit SD I/O können WLAN-Adapter mit niedrigem Energieverbrauch angeschlossen werden. Bei aktuellen PCs erfolgt der Anschluss von Adaptern über USB oder PCI-E. Durch die SD I/O-Unterstützung werden hohe Datenraten (100 MB/s) beibehalten, während trotzdem die Akkulebensdauer verlängert wird. WLAN-Unterstützung unter WOA sorgt auch für ein effizientes Abladen, um im Connected Standby-Modus Verbindungen bei sehr geringem Energieverbrauch aufrechtzuerhalten.
  • Embedded MultiMediaCard-Speicher (eMMC) ist ein de facto-Standard für Speicher in ARM-Geräten (da SATA meist nicht unterstützt wird). Dies war eine interessante Herausforderung für uns, da Windows eine schnelle Festplatte und Datentransfer mit sehr hoher Bandbreite erwartet. Neben der Unterstützung von eMMC haben wir mehrere Leistungsoptimierungen am Betriebssystem vorgenommen, um die Speicher-E/A zu verringern und zu konsolidieren, damit im Speicher weniger Lese- und Schreibvorgänge erfolgen.
  • Der General Purpose I/O-Treiber (GPIO) unterstützt das Verbinden von Schaltflächen, Interrupts oder anderen E/A-Vorgängen mit dem ARM-Prozessor.
  • Neben dem GPIO-Treiber gibt es auch einen Tastentreiber für die Windows-, Netzschalter- und Lautstärketasten. Bei ARM-Geräten sind Tasten nicht standardisiert. In jedem System sind spezifische Treiber für alle Hardwaretasten erforderlich.
  • Zur Verwaltung der SoC-Energie, des Stromverbrauchs der gesamten Plattform sowie der Modi des Connected Standby-Nutzungsmodells haben wir ein neues Energieframework erstellt.
Arbeiten am Startbildschirm

Nachdem Firmware, HAL, Startdienste, Startgeräte und Busse einsatzbereit waren, konnten wir den Rest des Systems zum Laufen bringen und uns mit dem Desktop und Startbildschirm beschäftigen.

  • ARM-SoCs für WOA haben DirectX-fähige GPUs (DX) für Grafikbeschleunigung in Internet Explorer 10, auf der Windows-Benutzeroberfläche sowie in Apps im Metro-Stil. Eine reaktionsschnelle Benutzeroberfläche kann nur durch Ausschöpfung der Vorteile einer DX-fähigen GPU erzielt werden. Für jedes WOA-Endgerät wurde vom entsprechenden ARM-Partner ein DX-kompatibler Grafiktreiber entwickelt. Da moderne GPUs noch komplexer sind als CPUs, ging dies mit beträchtlichen Arbeiten an sehr kompliziertem Code einher. Um Windows 8 auf diesen neuen SoCs hochzufahren, für die es noch keinen Grafiktreiber gab, und da ARM-SoCs zudem nicht über das branchenübliche VGA-Subsystem zum Wechseln in den Kompatibilitätsmodus verfügen, schrieb unser Grafikteam einen GPU-Softtreiber, der direkt mit dem Hardwarerahmenpuffer arbeitet. Dies war nicht nur für die weitere Entwicklung erforderlich, sondern ermöglichte auch, andere Aspekte von Windows mit dem GPU-Softtreiber zu überarbeiten, wenn der normale GPU-Treiber nicht verfügbar war. Beim Ausführen des Windows-Setups oder im seltenen Fall eines "Bluescreens" in Windows ist so beispielsweise eine freundlichere und sogar lokalisierte Anzeige möglich, sodass selbst schlechte Nachrichten auf allen Plattformen netter dargestellt werden können. Dies ist ein kleines Beispiel für ein Ergebnis, das sich auch auf die x86/x64-Architektur übertragen lässt.
  • In WOA-PCs wird Hardwareunterstützung zum Abladen bestimmter Aufgaben vom Hauptprozessor auf integrierte Hardwaresubsysteme genutzt. Dadurch wird die Leistung verbessert und die Akkulebensdauer verlängert. Beim Wiedergeben eines Films erfolgt die Verarbeitung beispielsweise durch Multimediaabladung (z. B. an einen dedizierten Prozessor), und alle anderen Prozesse werden minimiert. Da die Multimediaabladung für die Wiedergabe optimiert ist, können Sie mehrere Filme anschauen, ohne den Akku zu erschöpfen, oder der PC kann noch dünner und leichter gestaltet werden. Als weiteres Beispiel können Sie an einem Dokument arbeiten und gleichzeitig einen Film anschauen. Da der Film über die Abladungshardware ausgeführt wird, bleibt die allgemeine Reaktionsfähigkeit des Systems erhalten. WOA nutzt mehrere Arten von Abladungen, darunter Multimediacodierung und -decodierung sowie Sicherheitsabladung für BitLocker und EAS. Diese Art von Technologie, die mit Windows 7 eingeführt wurde, wird auch bei x86/x64-Systemen angewendet, die ebenfalls Abladung unterstützen.
Dienste für verbundene Geräte

An diesem Punkt war der Großteil des Systems betriebsbereit, und es war an der Zeit, die Dienste zur Unterstützung des vollen Funktionsumfangs von Windows einzubringen. Diese sind auf allen von Windows unterstützten Architekturen identisch, sodass Entwickler bei Apps im Metro-Stil darauf zurückgreifen können.

  • Klassentreiber für Mobiles Breitband (MBB). Durch das Erstellen eines Klassentreibers haben wir das Hinzufügen von Breitbandfunktionalität auf allen Windows-PCs wesentlich vereinfacht. Während WOA der Auslöser für diese Entwicklung war, profitiert davon das gesamte Ökosystem.
  • Drucker-Klassentreiber. Für Windows 8 haben wir die Druckinfrastruktur neu entworfen, um Klassentreiberunterstützung hinzuzufügen. Der Großteil der derzeit erhältlichen Drucker wird vom Klassentreiber unterstützt. Das bedeutet, dass unter WOA "Plug & Print" ohne zusätzliche Treiber möglich ist. Während die neue Architektur aus vielen Gründen gebraucht wurde, hatten wir von Beginn an das Drucken über WOA-PCs im Sinn.
  • GPS. Windows bietet eine Positionssuche, durch die der Standort eines PCs über WLAN-Zugriffspunkte und eine spezielle Datenbank geortet werden kann. Außerdem verfügen Systeme mit mobilem Breitband auch über integrierte Global Navigation Satellite System-Empfänger (GNSS, in den USA auch GPS), um bei der Navigation unterwegs den genauen Standort zu ermitteln. Die Standortplattform spielt eine zentrale Rolle bei der Optimierung von Leistung und Genauigkeit, da der geeignete Standortdatenanbieter auf Grundlage der von der Anwendung angeforderten Präzision ausgewählt wird.
  • Sensoren (Beschleunigungsmesser, Rotation, Gyro, Kompass, Magnetfeldmesser). In einem kürzlich veröffentlichten Beitrag wurden die Sensorfusion und die in Windows hinzugefügte Unterstützung für Sensoren erläutert. Diese Entwicklungen treffen auch auf alle SoC-basierten Architekturen zu, wobei das HID over I2C-Protokoll zum Einsatz kommt.
  • Bluetooth. WOA unterstützt Bluetooth LE und die gleichen Profile wie Windows 8 auf x86/x64 sowie Konnektivität zu Bluetooth-Funknetzwerken mithilfe von UART mit niedrigem Energieverbrauch.
  • MTP über USB und IP. Windows auf ARM ermöglicht Benutzern, tragbare Geräte (z. B. Handys, Musikplayer oder Kameras) über das MTP-Protokoll (Media Transfer Protocol) mit dem Computer zu verbinden. Diese MTP-kompatiblen Geräte stellen mithilfe von integrierten Windows-Klassentreibern über USB oder IP eine Verbindung her, sodass Benutzer mit ihren bevorzugten Apps im Metro-Stil Daten austauschen können.
  • Wartung mit Windows Update. Der gesamte Plattformcode (Betriebssystem, Treiber, System und Gerätefirmware) jedes WOA-Systems wird auf allen Ebenen durch Windows Update (WU) gewartet. WU unterstützt nun sichere und zuverlässige Firmwareupdates für WOA-Systeme sowie eine gezielte Treiberauswahl, sodass jedes Gerät geeignete, nachweislich funktionierende Treiber erhält.

Wie Sie sehen, dreht sich einiges dieser technischen Arbeit nur um Anpassungen an die neue Hardwareplattform. An anderen Stellen werden grundlegend neue Arten von Hardwareunterstützung eingeführt. Ein Großteil dieser Arbeit kommt der x86/x64-Plattform zugute, insbesondere innovative Produkte wie die neuen, von Intel auf der CES vorgestellten ATOM®-Prozessoren mit niedrigem Energieverbrauch.

Ein bedeutender Teil fällt auch auf die Anwendungsschicht und stellt wesentliche Elemente der neuen WinRT-APIs dar, die auf der //build/ vorgestellt wurden. Während wir beispielsweise den Kernel entwickelt haben, um Connected Standby zu unterstützen, ist die lange Akkulebensdauer Bestandteil des gesamten WinRT-Anwendungsmodells und sogar des Toolsets. Dies alles wiederum ist sowohl für WOA als auch für Windows 8 auf x86/x64 relevant.

Wie bereits erwähnt, wurden Teile von Windows weitgehend mit Code erstellt, der technisch betrachtet problemlos auf ARM zum Laufen gebracht werden kann. Zu diesen Subsystemen zählen der Windows-Desktop, Applets und unterstützende APIs, obwohl sämtliche dieser Komponenten wesentlich weiterentwickelt werden mussten, um eine bessere Ressourcen- und Energienutzung zu erzielen. Hier ist ein frühes Foto eines ARM-Geräts (eines der ersten Windows Phones), auf dem der gesamte Windows-Desktop ausgeführt wird. Am Anfang der Entwicklung von WOA waren vorhandene ARM-Geräte wie Handys die einzige Hardware, die wir hatten (ARM-Tablets existierten noch nicht). Wir dachten uns, Sie würden sich über ein paar ziemlich alte Fotos vom Debuggen von WOA amüsieren, das vollständig im Arbeitsspeicher geladen war (nicht retouchiert). Hinweis: Dies ist weder ein Produktplan noch ein Hinweis auf ein Produkt.

 Eine Hand hält ein Handy mit Task-Manager und Bildschirmtastatur

Eine Hand hält ein Handy mit einem Solitaire-Spielfenster über der Telefontastatur

Tests

Vielleicht fragen Sie sich, wie wir WOA in unseren Laboren testen. Für x86/x64 verfügen wir über umfangreiche Labore (Tausende von Computern, real und virtualisiert) sowie hoch automatisierte Testläufe für jeden einzelnen täglichen Build. Im Rahmen von WOA mussten wir unsere Labor- und Testverfahren neu überdenken. Zum Testen von x86/x64 können einfach Tausende von Servern in Racks bestellt oder sogar virtualisiert werden – für ARM gibt es keine in Racks eingeschobene Standardserver, auf denen WOA ausgeführt werden kann. Da wir an einer hoch integrierten Hardware-/Firmware-/Softwareentwicklung arbeiten und Virtualisierung nicht weiterhilft, mussten wir einen eigenen Ansatz ausarbeiten.

Wir konsolidierten Hunderte von ARM-Entwicklungsplatinen zusammen mit einer angepassten E/A-Platine in einer Rackbaugruppe, die mit unserer Testinfrastruktur verbunden wurde. Unser ursprünglicher Entwurf konzentrierte sich auf eine Dichte von 300 ARM-Geräten pro Rack, aber letztendlich bevorzugten wir die Diagnostik und Verfügbarkeit einer angepassten E/A-Platine in der 1U-Anordnung.

Wir entwarfen ein eigenes 1U-Gestell, das in ein Standardserverrack passt. In das Gestell kann entweder ein Gerät mit vollem Formfaktor oder nur die Hauptplatine eingeschoben werden. Nach dem Zusammenbau gleicht die SoC-Platine in Verbindung mit der E/A-Platine und dem Gestell einem Standard-PC in einem Rack und kann problemlos in der bestehenden Laborinfrastruktur betrieben werden.

Jedes 42U-Rack enthält 32 WOA-Gestelle sowie Netzwerkswitches, Debughost-PC und USB-Hubs. Bis März werden wir über 100 vollständig gefüllte Racks für WOA-Tests haben.

Wir mussten auch die Testtoolinfrastruktur und eigentlichen Tests portieren. Dies war zwar nicht einfach, aber so wurde gewährleistet, dass wir WOA mit der gleichen umfangreichen Automatisierung wie Windows 8 testen konnten. Hier ist ein Foto von unserem neu entwickelten Testrack und den enthaltenen Platinen- und Debugginganschlüssen:

Testrack

Platinen- und Debugginganschlüsse mit Beschriftungen für: angepasste E/A-Platine, HDMI-zu-VGA-Konverter, angepasste HDMI-Molex-Einspeisebox, USB-Debug zu Pass-Through an E/A-Platine, USB-A-Uplink zu Hub an E/A-Platine, standardmäßiges 1U-Rackmontagegestell (ATX oder EATX), PC-Standardnetzteil, USB-Anschlussleisten Vorderseite, Stromversorgungsschalter Vorderseite, Rücksetzschalter und LED-Leisten, standardmäßiger 20-Pin-ATX-Stromanschluss, angepasstes Platine-zu-Molex-Stromkabel (SV), SATA-Standardfestplatte (Scratchlaufwerk), HDMI-Kabel zu HDMI-Einspeisebox, SoC-Platine auf selbstklebenden Abstandhaltern

Entwickeln für die ARM-Architektur

Praktisch betrachtet, bedeutet dies eine noch tiefgreifendere Änderung, als es auf den ersten Blick scheint. Wir haben diese Gelegenheit auch zu einer sehr umfangreichen Neuentwicklung sämtlicher Windows-Subsysteme genutzt. Im Rahmen der Entwicklung von WOA und Windows 8 wurde das gesamte Windows-System aufwändig optimiert, um den Strombedarf sowie die Ressourcennutzung zu minimieren und zugleich die Kapazitäten für ausgeführte Anwendungen zu steigern. In vorherigen Beiträgen zum Start, der Energieverwaltung und der Speichernutzung haben wir bereits einige der Ergebnisse dieser Anstrengungen präsentiert.

Wie bereits erwähnt unterstützt WOA weder Virtualisierung noch Emulation, und vorhandene x86/x64-Anwendungen können nicht portiert oder ausgeführt werden. Die Unterstützung unterschiedlicher Emulationsarten widerspricht dem Ziel der Bereitstellung eines Produkts, das einen modernen Ansatz bezüglich Systemzuverlässigkeit und -vorhersagbarkeit verfolgt – in punkto Optimierung für die Plattform ist vorhandener Code per Definition nicht mit WOA zu vergleichen. Virtualisierte oder emulierte Software verbraucht zu viele Systemressourcen, wie beispielsweise Akkulebensdauer und CPU-Kapazität. Die Emulation und Virtualisierung vorhandener x86/x64-Software erfordert außerdem eine herkömmliche PC-Umgebung mit Maus und Tastatur, was bezüglich WOA-PCs keine günstige Voraussetzung ist.

Wäre das Portieren von bestehendem Code generell zulässig, könnte das Ziel einer verlängerten Akkulebensdauer, vorhersagbaren Leistung und insbesondere einer hohen Zuverlässigkeit langfristig nicht eingehalten werden. Dies liegt darin begründet, dass die von derzeitigen Windows-Apps verwendeten Konventionen hierfür nicht unbedingt geeignet sind – ganz gleich, ob es sich hierbei um Hintergrundprozesse, Abrufwarteschlange, Zeitgeber, System-Hooks, Startprogramme, Registrierungsänderungen, Kernelmoduscode, Administratorrechte, Add-Ins oder andere häufig verwendete Technologien handelt. Dank des Verzichts auf diese Konstrukte steht WOA für höhere Kundenzufriedenheit: Bei WOA-PC fällt die Leistung mit der Zeit nicht ab, da Apps vom Betriebssystem und voneinander isoliert sind. Außerdem liegt es in Ihrer Hand, welche zusätzliche Software ausgeführt wird, und die Stärken unterschiedlicher Hardware können voll ausgeschöpft werden.

WOA ist ein besonderer Schritt auf dem Weg zu mehr Sicherheit für Benutzer. Während einer öffentlichen Veranstaltung wurden wir gefragt, ob wir "es einfach machen würden, vorhandene Viren und Schadsoftware auszuführen". Jetzt wissen Sie, dass die Antwort auf diese Frage mit Nachdruck "Nein" lautet, denn WOA gestattet ausschließlich das Ausführen von über Windows Update bereitgestelltem Code und Apps aus dem Windows Store. Wie wir alle wissen, ist Sicherheit eine branchenweite, mehrdimensionale Angelegenheit, für die kein System und keine Plattform ohne Weiteres ein Patentlösung für sich in Anspruch nehmen kann.

Wenn Sie vorhandene x86/x64-Software ausführen möchten, sollten Sie am besten einen x86/x64-Computer mit Windows 8 in Betracht ziehen. Wenn Sie bereits mit dem Gedanken spielen, sich ein Gerät ohne Windows zuzulegen, sollten Sie WOA als Alternative berücksichtigen – denken Sie an die unterschiedlichen Formfaktoren, Peripheriegeräte, Windows Store-Apps (und die zugehörige Entwicklerplattform) sowie Office-Anwendungen und die zahlreichen integrierten Windows-Funktionen.

Uns ist klar, dass viele Entwickler bei Microsoft und anderen Unternehmen auf bestehende Programmiertechniken vertrauen und der Wechsel zu WOA eine Investition darstellt. Die Entwicklung von Apps auf Grundlage von WinRT begegnet dieser Herausforderung von Anfang an: WinRT bietet die benötigte Leistung für moderne Software und vermeidet zugleich dank umfangreicher Tools, Sprachen und Entwicklersupport Fehler, die sich zum Nachteil von Kunden auswirken.

Entwickler, die vorhandene Apps auf WOA übertragen möchten, haben zwei Möglichkeiten. Bei zahlreichen Apps bietet es sich an, für vorhandene Datenquellen oder Anwendungen ein neues Front-End im Metro-Stil zu erstellen, und eine Webdienst-API für die Kommunikation zu verwenden. Dieser Ansatz wird bei vielen Branchenanwendungen und Webobjekten von Kunden zum Einsatz kommen und stellt die beste Möglichkeit dar, die Vorzüge eines umfassenden Benutzerinteraktionsmodells zu nutzen, in dem sich Informationen mit neuen Apps auch anwendungsübergreifend verwenden lassen. Selbstverständlich müssen Sie sich nicht auf Front-Ends beschränken, sondern können ebenso lokale Daten einsetzen, da WOA vollen Zugriff auf Dateien und Peripheriegeräte gestattet. Bei anderen vorhandenen Apps bietet es sich an, große Abschnitte von Modul- oder Laufzeitcode wiederzuverwenden und durch eine Benutzeroberfläche in Metro-Stil zu ergänzen. Obwohl dies selbstverständlich Zeit in Anspruch nehmen wird, stellt dies eine Möglichkeit dar, Ihre wertvollen, mit viel Aufwand entwickelten Apps für WOA und WinRT zu migrieren. Auf jeden Fall stellt WinRT das Set neuer Windows-Betriebssystemdienste dar, mit denen Entwickler Software erstellen können, die für Windows 8 entwickelt wurde.

Um auf unser Architekturdiagramm von der //build/ zurückzukommen, könnte man sagen, dass sich WOA aus Entwicklerperspektive am besten als eine Plattform im Metro-Stil vorstellen lässt, die über den gemeinsamen Betriebssystemkern aller Windows-Produkte verfügt. Der Betriebssystemkern von Windows wurde im Hinblick auf die ARM-Plattform optimiert und unterstützt WinRT-APIs sowie das Programmiermodell von Drittanbietern.

Architektur-Blockdiagramm von WinRT, das auf der //build/ vorgestellt wurde

Die Entwicklung für ARM ist ein weites Feld, mit dem sich im Verlauf des Projekts zahlreiche Mitglieder des Windows-Teams beschäftigt haben. Der nächste Schritt besteht in einer erweiterten Bereitstellung des WOA-Codes. Doch zunächst zur Markteinführung von WOA-PCs.

Bereitstellen von WOA-PCs

Seit dem Abschluss des Windows 7-Projekts arbeiten wir gemeinsam mit PC-Herstellern an der Weiterentwicklung von Windows, d. h. an Windows 8. Die Markteinführung neuer PCs bringt eine Menge gemeinschaftlicher Tätigkeiten mit sich – das „Designed for Windows“-Logo, das Sie von vielen PCs kennen, steht für die Zusammenarbeit zahlreicher Partner, die sich für die Einführung neuer PCs engagieren. Das in der Branche bislang und weiterhin verwendete Modell der Markteinführung von x86/x64-PCs ist das gleiche, das wir immer verwendet haben – wir führen neue Technologien wie USB 3.0, UEFI, Touch und Sensoren ein, die unter einer neuen Windows-Version auf neuer Hardware unterstützt werden. Dies ist ein gemeinschaftlicher und sich fortsetzender Prozess, bei dem auch in diesem Produktzyklus zahlreiche weitreichende Verbesserungen eingeführt werden.

Die Einführung von WOA-PCs bedeutet den ersten Einsatz eines neuen Systems – eines vollkommen neuen PC-Ökosystems, das PC-Herstellern eine neue PC-Generation mit innovativen Merkmalen ermöglicht. Diese PCs lassen sich an neuen Maßstäben in drei Bereichen beschreiben: flaches und leichtes Design, lange Akkulebensdauer und inhärente Qualität.

Aufgrund der naturgemäß engen Verknüpfung von SoC, Peripherie, Firmware und Betriebssystem lassen sich WOA-PCs am besten als ein Gemeinschaftsprodukt vorstellen, das weit über die einfache Zusammenarbeit von Branchenpartnern hinausreicht. Dies ist ein Prozess, bei dem die Softwareentwickler des Windows-Teams plötzlich Chips mit dem Lötkolben bearbeiten müssen und Hardwaretechniker sich mit Visual Studio beschäftigen, um Timing-Probleme im Benutzeroberflächencode zu beheben. Die Entwicklung eines jeden WOA-PCs ist daher ein einzigartiges Unterfangen, das mit der Komponentenauswahl beginnt; anschließend kommen Firmware, Treiber, Endmontage und individuelle Apps der PC-Hersteller hinzu. Zudem testen wir neue ARM-Entwürfe auf Simulations- und Emulationsplattformen – sogar noch bevor die eigentlichen Chips gefertigt werden. So können wir von Anfang an Fehler vermeiden. Wir führen das Ökosystem zusammen, um den Strombedarf der gesamten Plattform zu optimieren. Dazu gehört nicht nur ein gutes SoC, sondern auch effiziente WLAN-Adapter, Sensoren und eine noch höher entwickelte Gleichstrominfrastruktur. Dies alles ist entscheidend für ultraflache und leichte PCs mit langer Akkulebensdauer und herausragender Technik, auf denen Apps und Dienste, die für Windows 8 entwickelt wurden, ihr volles Potenzial zeigen.

Während es sich bei den unterschiedlichen WOA-PCs um individuelle Geräte handelt, ist es die Aufgabe von Windows, Kunden eine vertraute Benutzeroberfläche zu bieten, die die einzigartige und innovative Hardware zur Geltung bringt – der Grundgedanke eines jeden Betriebssystems. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir, wie bereits erwähnt, mit unterschiedlichen ARM-Lizenznehmern wie Texas Instruments, Qualcomm und NVIDIA zusammengearbeitet. All diese Unternehmen wiederum arbeiten mit Partnern zusammen, die WOA-PCs fertigen. Sämtliche dieser PCs werden eigens für WOA entwickelt und hergestellt. Die Geräte werden vom Chipsatz bis hin zu Firmware und Treibern für WOA optimiert. Unsere Partner arbeiten an kreativen Designs und Formfaktoren, die weit mehr bieten werden als nur Tablets. Das ist der Stand der Entwicklung. Unser gemeinsames Ziel ist, dass PC-Hersteller WOA-PCs zeitgleich mit den für Windows 8 neuentwickelten x86/x64-PCs ausliefern und dabei die neueste Generation dieser Plattformen einsetzen – von Geräten mit niedrigem Stromverbrauch bis hin zu Hochleistungscomputern.

Obwohl es nicht Thema dieses Beitrags ist, möchten wir versichern, dass WOA-PCs für Kunden deutlich gekennzeichnet werden, sodass keine Gefahr einer Verwechslung mit Windows 8 auf x86/x64-Computern besteht. Die PCs kommen mit vorinstalliertem Betriebssystem sowie sämtlichen Treibern und unterstützender Software in den Handel. WOA wird nicht als Einzelsoftware erhältlich sein. So müssen Sie sich keine Gedanken darüber machen, welche DVD Sie für die Installation verwenden und ob diese auf einem bestimmten PC ausgeführt werden kann.

WOA-PCs werden ausschließlich mithilfe von Windows bzw. Microsoft Update aktualisiert, und die Apps stammen ausnahmslos vom Windows Store. Die Kompatibilität muss daher nicht berücksichtigt werden, da keine Downloads außerhalb der Store-Umgebung oder Installationen von DVD erfolgen. Verwendung und Verwaltung eines WOA-PCs werden einem Haushaltselektronikgerät gleichen. Beispielsweise werden, wie bereits gesagt, die Funktionen zum Auffrischen und Zurücksetzen zur Verfügung stehen – unter WOA entspricht dies einer Neuinstallation bzw. der Verwendung eines Images.

Die nächsten Schritte

Es gibt noch viel zu sagen, und wir planen im Anschluss an die Diskussion dieses Beitrags, weitere Beiträge zur Entwicklung von WOA sowie zur Arbeit an diesem Betriebssystem zu verfassen. Viele Benutzer freuen sich darauf, die Software zu testen. Leider steht jedoch bislang keine Hardware zur Verfügung, aber wir nähern uns einem Punkt in diesem Projekt, an dem wir WOA-Software und Entwicklungshardware einem breiteren Publikum zur Verfügung stellen möchten. Bis dahin gibt es Windows 8 für x86/x64-Computer, das auf PCs ausgeführt werden kann, die für Windows 7 entwickelt wurden.

Etwa zum Zeitpunkt des kommenden Windows 8-Meilensteins werden einige Test-PCs bereitgestellt, die speziell für WOA entwickelt wurden. Diese Geräte sind für Entwickler und Hardwarepartner bestimmt und liegen noch nicht im Design der endgültigen Einzelhandelsgeräte vor. Sie verfügen über Diagnosetools und -anschlüsse. Die Geräte werden sich öffnen und debuggen lassen. Es sind weder endgültige Komponenten noch Firmware (und kein Energie- und Wärmemanagement) vorhanden, wie es bei den Einzelhandelsgeräten der Fall sein wird. Die Testgeräte werden aus billigem Kunststoff gefertigt. Vielleicht haben Sie auf der CES bereits ähnliche Geräte gesehen, die dort ausgestellt oder vorgeführt wurden, und auch bei unseren vorherigen Präsentationen kamen vergleichbare Test-PCs zum Einsatz. Diese PCs dienen dazu, WOA und die Benutzeroberfläche zu demonstrieren – stehen aber ebensowenig für das Endprodukt wie der aktuelle Entwicklungsstand von Windows 8 auf x86/x64. Auf den Geräten wird dieselbe Variante von Windows ausgeführt, die mit dem kommenden Meilenstein auch x86/x64-Testern zur Verfügung gestellt wird.

Diese PCs sind in der Herstellung besonders teuer, da es sich um individuell in kleiner Stückzahl gefertigte Geräte handelt. Die Geräte werden ausschließlich an Entwickler ausgegeben. Wir heben dies nicht etwa hervor, um Sie zu ärgern oder Nominierungen zu erbitten, es geht vielmehr darum, dass Sie sowieso von diesen Geräten erfahren und auch Bilder im Internet finden werden. Wie und an wen die Geräte verteilt werden, ist bereits beschlossen. Einerseits mag es ja grausam erscheinen, dass wir dies so vor Ihnen ausbreiten, andererseits steht diese Transparenz stellvertretend für die gesamte Entwicklung von Windows. Bei Windows 8 handelt es sich um ein sehr umfangreiches Projekt, und die Menge der von uns veröffentlichten Informationen sowie der Dialog über unsere Entscheidungen sind bislang einzigartig.

Ende des Monats wird Windows Consumer Preview, die Betaversion von Windows 8 für x86/x64-Computer, zum Download bereitgestellt. Wir haben uns gegen die Bezeichnung "Beta" entschieden, da der Begriff in der letzten Zeit eine Bedeutung erhalten hat, die weit über eine kostenlose Testversion hinausgeht, und wir Irrtümer vermeiden möchten. Um den erwähnten Grad an Offenheit beizubehalten, sollte erwähnt werden, dass es keine Vorabregistrierung oder Aufnahme in ein Testprogramm geben wird. Laden Sie Windows Consumer Preview einfach herunter, und testen Sie es auf einem für Windows 7 geeigneten PC. (VMs werden zwar unterstützt, stellen jedoch nicht die optimale Umgebung zum Testen der Software dar.) Wir haben zahlreiche Fortschritte erzielt, und seit der Windows Developer Preview vor 5 Monaten wurden entscheidende Änderungen vorgenommen. Nur zur ErinnerungWindows 8 und WOA befinden sich noch in der Entwicklung, und der Schritt von der Vorabversion zur endgültigen Veröffentlichung wird noch viel Arbeit erfordern. Die Qualität steht weiterhin an erster Stelle. Der Code ist noch lange nicht fertig.

Wir sind gespannt darauf, den nächsten Meilenstein zu erreichen. Der Verantwortung für die Entwicklung einer neuen Version von Windows ist mit Demut zu begegnen, und die Herausforderung, eine vollkommen neue Plattform wie WOA zu veröffentlichen, ist sowohl inspirierend als auch entmutigend. Wir freuen uns, Windows Consumer Preview in Kürze präsentieren zu können.

Im Nahmen des gesamten Windows-Teams

Steven Sinofsky

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