Cache采用存取速度快的SRAM器件構(gòu)成。通常分為兩級(jí)：集成在CPU芯片中的Cache稱為一級(jí)（L1 Cache），其速度與CPU相匹配，但 容量較小，一般為幾KB到幾十KB；安裝在主板上的Cache稱為二級(jí)（L2 Cache），容量較大，從幾百千字節(jié)到幾兆字節(jié)不等。
80486 CPU芯片內(nèi)有8KB的Cache，存放程序和數(shù)據(jù)。Pentium芯片內(nèi)有16KB的Cache，分為兩個(gè)獨(dú)立的8KB區(qū)域，其中一個(gè)用 于存放程序，另一個(gè)用于存放數(shù)據(jù)。80486和Pentium支持L2 Cache, PentiumⅡ以后的CPU則將L2 Cache與CPU內(nèi)核一 起封裝在一只金屬盒內(nèi)，或者直接把L2 Cache也集成到CPU芯片內(nèi)，進(jìn)一步提高了速度，改善了性能。
5.5.1 Cache的工作原理
Cache介于CPU和主存之間，并和主存有機(jī)地結(jié)合起來，借助于輔助硬件組成Cache-主存層次結(jié)構(gòu)，其工作原理。
Cache中的信息是主存中信息的一部分。Cache和主存都被分成若干個(gè)大小相等的塊，每塊由若干字節(jié)組成，由于Cache的容量遠(yuǎn)小于主存的容量， 所以Cache中的塊數(shù)要遠(yuǎn)少于主存中的塊數(shù)，它保存的信息只是主存中最活躍的若干塊的副本。當(dāng)CPU讀/寫信息時(shí)，首先通過Cache控制部件的地址變 換機(jī)構(gòu)訪問Cache，如果Cache被命中，就直接對(duì)Cache進(jìn)行訪問，與主存無關(guān)；如果Cache未命中，則仍須訪問主存，并把要訪問的信息塊一次 從主存調(diào)入Cache內(nèi)，若此時(shí)Cache已滿，則須根據(jù)某種置換算法，用新塊的信息置換舊塊中的信息。
5.5.2 Cache的地址映射
為了把信息從主存中取出送入Cache中，必須使用某種地址變換機(jī)制把主存地址映射到Cache中定位，稱之為地址映射。其實(shí)現(xiàn)方法是：將主存和 Cache都分為大小相等的若干塊（或稱頁），每塊的大小為2n個(gè)字節(jié)，通常為29（512B）或210（1024B）或211（2048B）等，以塊為 單位進(jìn)行映射。如假設(shè)某系統(tǒng)的主存容量為1MB，若每塊容量為1KB，則被分為1024塊；Cache容量為8KB，每塊容量也是1KB，則被分為8塊。 下面以此為例，介紹三種Cache的地址映射方法（見）。
1.直接地址映射
直接地址映射是指主存中每一個(gè)塊只能映射到某一固定的Cache塊中，如（a）所示。
把主存按Cache大小分為若干組，每一組按對(duì)應(yīng)的塊號(hào)進(jìn)行映射。如主存的第0塊，第8塊……，第1016塊，只能映射到Cache的第0塊；而主存的第1塊，第9塊……，第1017塊只能映射到Cache的第1塊，依次類推。
這種映射方法比較簡(jiǎn)單，且地址轉(zhuǎn)換速度快，但不夠靈活，使得Cache的存儲(chǔ)空間得不到充分利用。
2.全相聯(lián)地址映射
全相聯(lián)地址映射是指主存中的每一塊都可以映射到Cache的任何一塊位置上，如（b）所示。這種映射方法比較靈活，Cache的利用率高；但地址轉(zhuǎn)換速度慢，而且需要采用某種置換算法將Cache中的內(nèi)容調(diào)入調(diào)出，實(shí)現(xiàn)起來系統(tǒng)開銷大。
3.組相聯(lián)地址映射
組相聯(lián)地址映射是直接地址映射和全相聯(lián)地址映射的折中方案，如（c）所示。主存和Cache都分組，主存中一個(gè)組內(nèi)的塊數(shù)與Cache中的分組數(shù)相同。 組間采用直接地址映射，而組內(nèi)采用全相聯(lián)地址映射。主存中的各塊與Cache的組號(hào)間有固定的映射關(guān)系，但可自由映射到對(duì)應(yīng)的Cache組中的任何一塊。 如主存中的第0塊可映射到Cache的第0組的第0塊或第1塊；主存中的第1塊可映射到Cache的第1組的第2塊或第3塊……這種映射方法比直接地址映 射靈活，比全相聯(lián)地址映射速度快。
5.5.3 Cache的置換算法
在采用全相聯(lián)地址映射和組相聯(lián)地址映射方式時(shí)，在主存向Cache傳送一個(gè)新塊時(shí)，若Cache中的可用位置已被占用時(shí)，就應(yīng)該調(diào)用置換算法，淘汰舊塊，調(diào)入新塊進(jìn)行置換。下面簡(jiǎn)要介紹兩種常用的置換算法。
1.先進(jìn)先出（FIFO）算法
FIFO算法的基本思想是：按調(diào)入Cache的先后決定淘汰的順序，即在需要更新時(shí)，將最先進(jìn)入Cache的塊作為被置換的塊。這種算法不需要隨時(shí)記錄各個(gè)塊的使用情況，容易實(shí)現(xiàn)，而且系統(tǒng)開銷��；其缺點(diǎn)是可能會(huì)把一些需要經(jīng)常使用的程序塊被調(diào)入的新塊置換掉。
2.近期最少使用（LRU）算法
LRU算法的基本思想是：把CPU近期最少使用的塊作為被置換的塊。這種置換算法相對(duì)合理，但需要隨時(shí)記錄Cache中各塊的使用情況，以便確定哪個(gè)塊是近期最少使用的塊，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，系統(tǒng)開銷較大。