x86-64引技术实际上是在x86平台上从32位到64位的一次扩充。而这一扩充包含的内容能够不仅仅体现在对物理内存的扩充上，在指令集、CPU寄存器结构、甚至是应用程序的虚拟内存上都得到了非常大的扩充。然而，值得注意的是，x86从32位到64位的变化，并没有象以前从16位到32位的变化那样，在系统软件层面带来了革命性的变化（例如页式地址管理、多任务的引入等等）。我们的操作系统仍然使用以前的各种机制来对硬件进行管理，只是在64位平台上，数据（如整型数）变得更宽了，逻辑地址、线性地址以及物理地址也都变得更宽了。

2. 系统结构的变化

3. 虚拟地址

2. 系统结构的变化

AMD64的出现，给全新的64位的x86带来了很多结构上的变化：

1）64位整型数

在x86-64中，所有通用寄存器（GPRs）都从32位扩充到了64位，名字也发生了变化。8个通用寄存器（eax, ebx, ecx, edx, ebp, esp, esi, edi）在新的结构中被命名为rax, rbx, rcx, rdx, rbp, rsp, rsi, rdi，它们都是64位的。所有算术逻辑操作、寄存器到内存的数据传输现在都能以64位的整形类型进行操作。堆栈的压栈和弹出操作都以8字节的单位进行，而且指针类型也拥有了64位。

2）新增寄存器

在新的架构中，另外新增了8个通用寄存器：64位的r8, r9, r10, r11, r12, r13, r14, r15。这样就有利与编译器将函数参数、返回值等放在这些新增的GPR里面进行传递，从而提高了程序的运行速度。同时，128位的MMX寄存器也从原来的8个增加到了16个。

3）增大的逻辑地址空间

目前在新的架构中，应用程序可以拥有的逻辑地址空间从4GB增加到了256TB（2^48），而且这一逻辑地址空间在未来可能增加到16EB（2^64）。

4）增大的物理地址空间

目前的x86-64架构，可以支持的物理内存扩展到了1TB（2^40），当然，在未来该数字可以扩展到4PB（2^52）。相比于经过PAE技术扩展的i386的64GB物理内存，新的架构带来了不小的飞跃。

5）无缝使用SSE指令

新的架构借鉴和吸收了Intel的SSE、SSE2的核心指令，并在2005年加入了SSE3。在这一新的架构下，可以不再需要x87浮点协处理器来完成浮点运算了。

6）NX位

跟PAE技术一样，新的x86-64架构也在页表项中增加了NX位，来帮助CPU判断该页包含的内容是否是可以执行的，从而避免借助“buffer overrun”导致的病毒攻击。

7）去除旧的机制

在新架构的“长模式（long mode）”下，很多在IA32中被提出，但确不经常被操作系统用到的一些机制不再被支持。这些机制包括段式地址变化机制（FS和GS仍然被保留），任务转移门（TSS）机制，以及虚拟86模式。当然，出于向下兼容的考虑，x86-64在“传统模式”（Legacy mode）下，仍然对这些机制进行了保留。

3. 虚拟地址

虽然逻辑地址扩展到了64位，但是，现有的设计并没有完全用到这64位的空间（2^64=16EB），因为使用到如此大的空间，势必造成很大的系统开销。AMD64在设计的时候就决定在x86-64的第一阶段，只用这64位中的低48位来做页式地址转换，高16位（48-64位）将填充第47位相同的内容（这种方式类似于符号扩展）。如果逻辑地址不符合此规定，系统将产生异常。符合此规定的地址称为canonical form，地址的范围分为两段：0 到 00007FFF-FFFFFFFF，以及FFFF8 000-0000 0000到FFFFFFFF-FFFFFFFF，总共为256TB。这种虚拟地址的分层结构，也为操作系统的设计带来了一定便利：可以取地址的上半段保留做为操作系统的逻辑地址空间，而低地址部分做为装载应用程序的空间，而canonical form不允许的地址空间则做为操作系统的标志、以及特权级的标识等。当然，这样的设计在未来地址进一步扩展的时候将称为一个新的问题。

下图展示了今天的设计以及未来可能的扩展：

采用64位地址空间的x86-86被称为是运行在“长模式”（long mode）下，该模式可以看成是对PAE模式的一个扩充。长模式允许使用三个不同的物理页面大小：4KB、2MB和1GB。在使用64位中的48位用来存放地址时，与PAE模式下的三级页面映射机制不同的是，长模式下线性地址到物理地址的映射需要经过四级地址映射。在这四级地址映射机制中，原来PAE模式下仅拥有4个表项的页目录指针表被扩展到512个表项。同时，在最末一级加入一级新的页面映射结构，该结构被称为第四级页表（Page-Map Level 4 Table，PML4），它跟PAE模式下的页目录及页表（在长模式中，成为了页目录）一样，拥有512个表项。如果地址进一步扩充，如把64位寻址全部用上，该页表就能够扩充到33,554,432个表项，或者干脆再加一层地址映射（PML5），当然，按照目前只用了48位的情况下，用到512个表项的PML4就已经够用了。

可以想象，用到48位的x86-64虚拟地址的分配机制为：

0－11（12）位：页内偏移；

12－20（9）位：由PML4来映射；

21－29（9）位：高一级页目录来映射（如果PS＝1，则该页表项指向一个2MB的页）；

30－38（9）位：再高一级的页目录来映射（如果PS=2，则该页表项指向一个1GB的页）；

39－47（9）位：页目录指针表来映射。

x86-64的长模式下，对16位以及32位代码进行了兼容，即使CPU上跑的是64位的操作系统，历史遗留的16位以及32位代码将都能够在该操作系统上运行。由于x86-64兼容IA32的指令，所以，这些代码在这种情况下运行，基本上没有性能损耗。

在传统模式（Legacy mode）下，x86-64的CPU的工作模式跟传统的IA32没有什么两样。