Kiến trúc x64 là gì? So sánh giữa x86 và x64

Kiến trúc x86 và x64 là hai kiến trúc tập lệnh (ISA) phổ biến nhất, do Intel và AMD phát triển. Bài viết này sẽ giải thích sự khác biệt giữa hai kiến trúc này và cách nhận biết máy tính của bạn đang chạy Windows phiên bản 32-bit hay 64-bit.

Kiến trúc x86 là gì?

Kiến trúc x86 là một tập hợp các hướng dẫn (instruction set architecture – ISA) cho bộ vi xử lý máy tính, được phát triển bởi Intel. Bắt đầu với việc phát triển của CPU 8086 vào năm 1978, kiến trúc x86 ban đầu hỗ trợ 16-bit, sau đó đã được mở rộng để hỗ trợ 32-bit (x86-32 hoặc i386) và sau cùng là 64-bit (x86-64 hoặc AMD64, khi được AMD mở rộng).

“Bit” ở đây đề cập đến lượng dữ liệu mà CPU có thể xử lý trong một chu kỳ xung nhịp. Chẳng hạn, một CPU 32-bit có khả năng xử lý 32 bit thông tin trong mỗi chu kỳ xung nhịp.

Nhờ vào khả năng hoạt động trên đa số các loại máy tính, từ laptop đến PC và máy chủ, kiến trúc x86 đã trở nên rất phổ biến và được áp dụng bởi nhiều nhà sản xuất CPU.

Tuy nhiên, một trong những hạn chế chính của kiến trúc này là chỉ có thể hỗ trợ đến tối đa 4GB RAM. Điều này xuất phát từ việc bộ vi xử lý 32-bit chỉ có thể quản lý 2^32, tức là 4,294,967,295 địa chỉ nhớ, với mỗi địa chỉ lưu trữ 1 byte dữ liệu, làm giới hạn bộ nhớ có thể truy cập ở mức khoảng 4GB.

Hiện nay, x86 thường được hiểu là thuật ngữ chỉ các bộ vi xử lý 32-bit có khả năng thực thi tập lệnh x86.

Kiến trúc x64 là gì?

x64 (còn được gọi là x86-64) là một phần mở rộng của kiến trúc x86, thiết kế để hỗ trợ mã 64-bit. Kiến trúc này được giới thiệu lần đầu vào năm 2000 và có hai chế độ hoạt động: một chế độ 64-bit và một chế độ tương thích, giúp người dùng có thể vận hành cả ứng dụng 16-bit và 32-bit.

Nhờ việc giữ lại toàn bộ tập lệnh x86 trong kiến trúc x64, các ứng dụng cũ khi chạy trên nền tảng mới này không phải chịu bất kỳ sự giảm sút hiệu suất nào

Kiến trúc x64 cung cấp khả năng hỗ trợ cho lượng bộ nhớ ảo và vật lý đáng kể cao hơn so với kiến trúc x86, giúp các ứng dụng có khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn trong RAM. Hơn nữa, x64 tăng số lượng thanh ghi mục đích chung lên đến 16 và thêm vào nhiều tính năng mới.

Với khả năng quản lý đến 2^64 địa chỉ nhớ, tương đương với khoảng 16 tỷ GB (gigabyte) bộ nhớ, kiến trúc x64 trở nên lý tưởng cho việc cung cấp tài nguyên cho các siêu máy tính và hệ thống đòi hỏi khả năng truy cập vào lượng lớn dữ liệu.

x64 cho phép CPU xử lý dữ liệu 64-bit trong mỗi chu kỳ xung nhịp, tăng cường khả năng xử lý dữ liệu đáng kể so với kiến trúc x86.

So sánh giữa x86 và x64

Dù cả hai kiến trúc đều xuất phát từ nền tảng 32-bit, chúng có những điểm khác biệt đáng chú ý. Điểm khác biệt chính giữa hai tập lệnh này nằm ở lượng dữ liệu mà chúng có thể xử lý trong mỗi chu kỳ xung nhịp và kích thước của thanh ghi CPU.

Bộ vi xử lý thường lưu trữ dữ liệu được truy cập thường xuyên trong thanh ghi để tăng tốc độ truy cập. Trong khi CPU 32-bit của kiến trúc x86 có thanh ghi 32-bit, thì CPU 64-bit lại có thanh ghi 64-bit, cho phép lưu trữ và truy cập dữ liệu nhanh hơn và nhiều hơn. Kích thước thanh ghi cũng ảnh hưởng đến lượng bộ nhớ mà máy tính có khả năng sử dụng.

Đặc điểm của x86 và x64

x86

Mỗi kiến trúc mang những đặc trưng riêng biệt, tạo nên sự phù hợp với các tình huống sử dụng đặc thù.

• Sử dụng kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computing) cho phép thực thi các tập lệnh đa dạng và phức tạp.
• Các tập lệnh phức tạp thì cần nhiều chu kỳ để thực thi.
• Kiến trúc này bao gồm việc sử dụng số lượng lớn thanh ghi cho việc lưu trữ dữ liệu.
• Thiết kế tập trung vào việc giảm số lượng ống dẫn (pipeline) nhưng vẫn duy trì khả năng xử lý hiệu quả các địa chỉ dữ liệu phức tạp.
• Hiệu suất của hệ thống được nâng cao nhờ vào việc sử dụng các giải pháp phần cứng, với kiến trúc x86 tận dụng tối đa các thành phần vật lý để giải quyết vấn đề hạn chế bộ nhớ.
• Kiến trúc này cũng tích hợp DEP (Data Execution Prevention) dựa trên phần mềm để tăng cường bảo vệ dữ liệu.

X64

• Hỗ trợ tương thích với ứng dụng 16-bit và 32-bit.
• Không gian địa chỉ ảo lý thuyết lên đến 2^64 byte, nhưng chỉ một lượng nhỏ khoảng 128TB được sử dụng trong thực tế hiện nay.
• x64 hiệu quả xử lý các tập lệnh phức tạp bằng cách ánh xạ toàn bộ tệp vào không gian địa chỉ của quy trình.
• Vượt trội hơn x86 nhờ khả năng xử lý song song tốt hơn, bus và bộ nhớ 64-bit, cùng với thanh ghi có kích thước lớn hơn.
• Có khả năng mô phỏng đồng thời hai tác vụ x86, mang lại hiệu suất nhanh hơn so với x86.
• Cải thiện khả năng tải tệp lệnh.
• Áp dụng DEP (Data Execution Prevention) dựa trên phần cứng.

Ứng dụng của x86 và x64

Do những khác biệt trong việc truy cập tài nguyên và tốc độ xử lý, mỗi kiến trúc phù hợp với các ứng dụng cụ thể khác nhau.

x86

Kiến trúc x86 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại thiết bị và môi trường khác nhau, bao gồm:

• Máy tính cá nhân (PC): x86 là kiến trúc chính được sử dụng trong đa số PC chạy Windows, Linux hoặc các hệ điều hành khác, bao gồm cả máy tính để bàn và laptop.
• Máy chủ: Các máy chủ sử dụng bộ vi xử lý x86 để xử lý dữ liệu, chạy các ứng dụng web và dịch vụ cơ sở dữ liệu, phù hợp cho cả doanh nghiệp lớn và nhỏ.
• Thiết bị nhúng: x86 cũng được sử dụng trong một số thiết bị nhúng và hệ thống tự động như máy ATM, kiosk, và thiết bị y tế.
• Thiết bị đa phương tiện: Một số thiết bị đa phương tiện như máy chơi game và set-top box sử dụng x86 cho khả năng xử lý mạnh mẽ và hỗ trợ phần mềm phong phú.
• Máy ảo và môi trường đám mây: Kiến trúc x86 là nền tảng phổ biến cho việc tạo máy ảo và cung cấp dịch vụ đám mây, nhờ vào hiệu suất cao và sự tương thích rộng rãi.
• Phát triển phần mềm: Nền tảng x86 cung cấp môi trường phát triển linh hoạt cho các nhà phát triển phần mềm, hỗ trợ một loạt các công cụ và ngôn ngữ lập trình.

Tóm lại, nhờ vào sự linh hoạt, hiệu suất cao và hỗ trợ rộng rãi từ cộng đồng, x86 đã trở thành một trong những kiến trúc máy tính quan trọng và ảnh hưởng nhất trong ngành công nghệ thông tin.

x64

Kiến trúc x64, hay còn gọi là AMD64 hoặc Intel 64, mở rộng từ kiến trúc x86 để hỗ trợ 64-bit, được ứng dụng rộng rãi và mang lại nhiều lợi ích đặc biệt trong các lĩnh vực sau:

• Máy tính cá nhân và Máy trạm: x64 tăng cường hiệu suất cho máy tính cá nhân và máy trạm, cho phép chạy các ứng dụng yêu cầu hiệu năng cao và xử lý lượng lớn dữ liệu, như biên tập video, thiết kế đồ họa, và chơi game đồ họa nặng.
• Máy chủ và Trung tâm dữ liệu: Kiến trúc x64 là tiêu chuẩn cho máy chủ và trung tâm dữ liệu, hỗ trợ khả năng quản lý bộ nhớ lớn, cải thiện hiệu suất xử lý đa nhiệm và tăng cường bảo mật.
• Hệ thống Ảo hóa: x64 cung cấp khả năng ảo hóa hiệu quả, cho phép chạy nhiều máy ảo trên một hệ thống vật lý, mỗi máy ảo có thể sử dụng bộ nhớ lớn và tài nguyên hệ thống tối ưu.
• Phát triển Phần mềm: Kiến trúc x64 hỗ trợ các nhà phát triển phần mềm tạo ra ứng dụng có thể tận dụng tốt hơn các tài nguyên phần cứng, đồng thời tăng cường khả năng tương thích với các thư viện và công cụ phát triển mới.
• Thiết bị Đa phương tiện: Trong các thiết bị đa phương tiện như các hệ thống giải trí tại gia, x64 giúp cải thiện khả năng xử lý đa phương tiện, tăng cường chất lượng video và âm thanh.
• Hệ thống Nhúng và IoT: Dù ít phổ biến hơn trong lĩnh vực nhúng so với kiến trúc x86, x64 vẫn được sử dụng trong một số hệ thống nhúng cần khả năng xử lý cao và quản lý bộ nhớ lớn.
• Đám mây và Dịch vụ Web: Kiến trúc x64 là nền tảng mạnh mẽ cho các ứng dụng đám mây và dịch vụ web, hỗ trợ lượng lớn bộ nhớ và xử lý đồng thời nhiều yêu cầu.

Nhìn chung, x64 đem lại khả năng xử lý và bộ nhớ tốt hơn cho một loạt các ứng dụng từ cá nhân đến doanh nghiệp, từ trung tâm dữ liệu đến đám mây, làm cho nó trở thành một lựa chọn quan trọng trong công nghệ hiện đại.

Hạn chế của x86 và x64

Dù cả hai kiến trúc đều tồn tại những hạn chế riêng biệt, x64 vẫn được coi là bộ tập lệnh mới hơn và tiên tiến hơn.

x86

• Tiêu thụ năng lượng cao: So với các kiến trúc như ARM, x86 thường có xu hướng tiêu thụ năng lượng cao hơn. Điều này làm cho nó kém phù hợp hơn cho các thiết bị di động và những ứng dụng cần hiệu quả năng lượng cao.
• Phức tạp của bộ lệnh (Instruction Set Complexity): Kiến trúc x86 sử dụng một bộ lệnh phức tạp (CISC), điều này làm tăng độ phức tạp của việc thiết kế và tối ưu hóa các vi xử lý x86. Điều này cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả năng lượng.
• Chi phí cao: Do độ phức tạp và yêu cầu cao về công nghệ sản xuất, các sản phẩm dựa trên kiến trúc x86 thường có chi phí cao hơn so với các kiến trúc khác như ARM.
• Tính tương thích ngược: Dù x86 luôn cố gắng duy trì tính tương thích ngược với các phần mềm cũ, nhưng điều này cũng khiến cho kiến trúc trở nên nặng nề hơn, do phải hỗ trợ một số lượng lớn các lệnh và chế độ hoạt động cũ.
• Khả năng mở rộng hạn chế: Trong một số trường hợp, kiến trúc x86 có thể gặp phải hạn chế về khả năng mở rộng, đặc biệt là với các ứng dụng đòi hỏi khả năng xử lý song song cao hoặc các hệ thống lớn với nhiều lõi xử lý.
• Tối ưu hóa phần mềm: Do độ phức tạp của bộ lệnh, việc tối ưu hóa phần mềm cho x86 có thể khó khăn hơn so với các kiến trúc đơn giản hơn. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất chung của các ứng dụng và hệ thống.
• Cạnh tranh từ các kiến trúc khác: Với sự phát triển của các kiến trúc như ARM, đặc biệt là trong lĩnh vực di động và nhúng, x86 đang đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng tăng, buộc nó phải liên tục cải tiến và giảm giá thành sản phẩm.

x64

• Tính tương thích với phần mềm: Một số phần mềm cũ hoặc chuyên dụng chỉ được thiết kế cho hệ thống 32-bit có thể không tương thích hoàn toàn với hệ thống 64-bit. Mặc dù các hệ điều hành hiện đại có thể chạy ứng dụng 32-bit thông qua lớp tương thích, nhưng điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tính ổn định.
• Sử dụng bộ nhớ cao hơn: Các ứng dụng được biên dịch cho x64 thường sử dụng nhiều bộ nhớ hơn so với phiên bản 32-bit của chúng do cấu trúc dữ liệu và con trỏ lớn hơn. Điều này có thể dẫn đến việc tiêu thụ bộ nhớ đáng kể hơn, đặc biệt trong các hệ thống với nhiều ứng dụng đang chạy đồng thời.
• Chi phí di chuyển từ 32-bit sang 64-bit: Các tổ chức có nhiều phần mềm và hệ thống 32-bit cũ có thể phải đối mặt với chi phí và công sức đáng kể để chuyển đổi lên 64-bit, bao gồm cả việc cập nhật phần cứng, mua bản quyền phần mềm mới và đào tạo nhân viên.
• Tối ưu hóa và lập trình phức tạp hơn: Phát triển và tối ưu hóa ứng dụng cho kiến trúc 64-bit có thể phức tạp hơn do đòi hỏi phải hiểu biết sâu sắc về cách thức hoạt động của bộ xử lý 64-bit, cũng như cách quản lý hiệu quả bộ nhớ và tài nguyên hệ thống.
• Hạn chế về phần cứng và hệ điều hành: Mặc dù hiện nay hầu hết phần cứng và hệ điều hành đều hỗ trợ 64-bit, nhưng vẫn còn một số phần cứng cũ và hệ điều hành không tương thích hoặc không tận dụng được hết khả năng của kiến trúc 64-bit.
• Thách thức về bảo mật: Kiến trúc 64-bit mở rộng không gian địa chỉ, có thể làm tăng khả năng phòng chống một số kỹ thuật tấn công nhưng cũng đặt ra thách thức mới trong việc thiết kế các biện pháp bảo mật để bảo vệ khỏi các loại tấn công mới và phức tạp hơn.

Cách kiểm tra máy tính chạy hệ điều hành 32-bit hay 64-bit

Bước 1: Nhấn tổ hợp phím Windows + I để mở Settings, sau đó chọn System.

Bước 2: Ở thanh menu bên trái, các bạn kéo xuống chọn About. Ở khung bên phải kiểm tra thông tin phần System type.

Những câu hỏi thường gặp

Câu hỏi thường gặp về kiến trúc x86 và x64 thường xoay quanh sự khác biệt, tương thích, và ưu nhược điểm của hai kiến trúc này. Dưới đây là một số câu hỏi phổ biến:

1. X86 và x64 là gì?
   • x86 là một kiến trúc máy tính dựa trên bộ vi xử lý 32-bit, trong khi x64, còn được gọi là AMD64 hoặc Intel 64, là một mở rộng của x86 hỗ trợ bộ vi xử lý 64-bit.
2. Sự khác biệt chính giữa x86 và x64 là gì?
   • Sự khác biệt chính giữa x86 và x64 nằm ở khả năng xử lý và bộ nhớ. Kiến trúc x64 có thể xử lý dữ liệu lớn hơn và hỗ trợ nhiều bộ nhớ RAM hơn (trên 4GB), cung cấp hiệu suất và khả năng mở rộng tốt hơn so với x86.
3. Tôi nên sử dụng phiên bản nào: x86 hay x64?
   • Lựa chọn giữa x86 và x64 phụ thuộc vào hệ thống và phần mềm bạn đang sử dụng. Nếu bạn có nhiều RAM (hơn 4GB) và ứng dụng cần hiệu suất cao, x64 là lựa chọn tốt hơn. Đối với các hệ thống cũ với ít RAM hoặc cần tương thích với phần mềm cũ, x86 có thể là lựa chọn phù hợp.
4. Phần mềm x86 có chạy trên hệ thống x64 không?
   • Có, hệ điều hành x64 thường có khả năng chạy phần mềm x86 thông qua các lớp tương thích. Tuy nhiên, việc này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của ứng dụng.
5. Làm thế nào để biết máy tính của tôi đang chạy x86 hay x64?
   • Bạn có thể kiểm tra thông tin này trong phần “About” của cài đặt hệ thống. Trên Windows, mở Settings bằng cách nhấn Windows + I, chọn System, sau đó chọn About và tìm kiếm “System type”.
6. Có bất kỳ hạn chế nào khi sử dụng x64 không?
   • Mặc dù x64 cung cấp nhiều ưu điểm như khả năng xử lý dữ liệu lớn hơn và hỗ trợ RAM nhiều hơn, nhưng nó có thể không tương thích với một số phần mềm hoặc phần cứng cũ, và ứng dụng x64 có thể sử dụng nhiều bộ nhớ hơn so với phiên bản x86.
7. Chuyển từ x86 sang x64 có khó không?
   • Chuyển đổi từ x86 sang x64 có thể đòi hỏi việc cài đặt lại hệ điều hành và ứng dụng với phiên bản tương thích x64. Bạn cũng cần đảm bảo rằng phần cứng hỗ trợ kiến trúc x64. Quá trình này có thể phức tạp tùy thuộc vào cấu hình và yêu cầu cụ thể của hệ thống.