2. 系統結構的變化
AMD64的出現，給全新的64位的x86帶來了很多結構上的變化：
1）64位整型數
在x86-64中，所有通用暫存器（GPRs）都從32位擴充到了64位，名字也發生了變化。8個通用暫存器（eax, ebx, ecx, edx, ebp, esp, esi, edi）在新的結構中被命名為rax, RBX, RCX, rdx, rbp, rsp, rsi, rdi，它們都是64位的。所有算術邏輯操作、暫存器到記憶體的數據傳輸現在都能以64位的整形類型進行操作。堆疊的壓棧和彈出操作都以8位元組的單位進行，而且指針類型也擁有了64位。
2）新增暫存器
在新的架構中，另外新增了8個通用暫存器：64位的r8, r9, r10, r11, r12, r13, r14, r15。這樣就有利與編譯器將函式參數、返回值等放在這些新增的GPR裡面進行傳遞，從而提高了程式的運行速度。同時，128位的MMX暫存器也從原來的8個增加到了16個。
3）增大的邏輯地址空間
目前在新的架構中，應用程式可以擁有的邏輯地址空間從4GB增加到了256TB（2^48），而且這一邏輯地址空間在未來可能增加到16EB（2^64）。
4）增大的物理地址空間
目前的x86-64架構，可以支持的物理記憶體擴展到了1TB（2^40），當然，在未來該數字可以擴展到4PB（2^52）。相比於經過PAE技術擴展的i386的64GB物理記憶體，新的架構帶來了不小的飛躍。
5）無縫使用SSE指令
新的架構借鑑和吸收了Intel的SSE、SSE2的核心指令，並在2005年加入了SSE3。在這一新的架構下，可以不再需要x87浮點協處理器來完成浮點運算了。
6）NX位
跟PAE技術一樣，新的x86-64架構也在頁表項中增加了NX位，來幫助CPU判斷該頁包含的內容是否是可以執行的，從而避免藉助“buffer overrun”導致的病毒攻擊。
7）去除舊的機制
在新架構的“長模式（long mode）”下，很多在IA32中被提出，但確不經常被作業系統用到的一些機制不再被支持。這些機制包括段式地址變化機制（FS和GS仍然被保留），任務轉移門（TSS）機制，以及虛擬86模式。當然，出於向下兼容的考慮，x86-64在“傳統模式”（Legacy mode）下，仍然對這些機制進行了保留。
3. 虛擬地址
雖然邏輯地址擴展到了64位，但是，現有的設計並沒有完全用到這64位的空間（2^64=16EB），因為使用到如此大的空間，勢必造成很大的系統開銷。AMD64在設計的時候就決定在x86-64的第一階段，只用這64位中的低48位來做頁式地址轉換，高16位（48-64位）將填充第47位相同的內容（這種方式類似於符號擴展）。如果邏輯地址不符合此規定，系統將產生異常。符合此規定的地址稱為canonical form，地址的範圍分為兩段：0 到 00007FFF-FFFFFFFF，以及FFFF8 000-0000 0000到FFFFFFFF-FFFFFFFF，總共為256TB。這種虛擬地址的分層結構，也為作業系統的設計帶來了一定便利：可以取地址的上半段保留做為作業系統的邏輯地址空間，而低地址部分做為裝載應用程式的空間，而canonical form不允許的地址空間則做為作業系統的標誌、以及特權級的標識等。當然，這樣的設計在未來地址進一步擴展的時候將稱為一個新的問題。
下圖展示了今天的設計以及未來可能的擴展：
採用64位地址空間的x86-86被稱為是運行在“長模式”（long mode）下，該模式可以看成是對PAE模式的一個擴充。長模式允許使用三個不同的物理頁面大小：4KB、2MB和1GB。在使用64位中的48位用來存放地址時，與PAE模式下的三級頁面映射機制不同的是，長模式下線性地址到物理地址的映射需要經過四級地址映射。在這四級地址映射機制中，原來PAE模式下僅擁有4個表項的頁目錄指針表被擴展到512個表項。同時，在最末一級加入一級新的頁面映射結構，該結構被稱為第四級頁表（Page-Map Level 4 Table，PML4），它跟PAE模式下的頁目錄及頁表（在長模式中，成為了頁目錄）一樣，擁有512個表項。如果地址進一步擴充，如把64位定址全部用上，該頁表就能夠擴充到33,554,432個表項，或者乾脆再加一層地址映射（PML5），當然，按照目前只用了48位的情況下，用到512個表項的PML4就已經夠用了。
可以想像，用到48位的x86-64虛擬地址的分配機制為：
0－11（12）位：頁內偏移；
12－20（9）位：由PML4來映射；
21－29（9）位：高一級頁目錄來映射（如果PS＝1，則該頁表項指向一個2MB的頁）；
30－38（9）位：再高一級的頁目錄來映射（如果PS=2，則該頁表項指向一個1GB的頁）；
39－47（9）位：頁目錄指針表來映射。
x86-64的長模式下，對16位以及32位代碼進行了兼容，即使CPU上跑的是64位的作業系統，歷史遺留的16位以及32位代碼將都能夠在該作業系統上運行。由於x86-64兼容IA32的指令，所以，這些代碼在這種情況下運行，基本上沒有性能損耗。
在傳統模式（Legacy mode）下，x86-64的CPU的工作模式跟傳統的IA32沒有什麼兩樣。
