前面我们知道了，高速缓冲存储器在整个存储系统当中的视图及其功能，和构建高速缓冲存储器的理论（局部性原理）。
CPU中任何存在速度差异的地方都配有高速缓冲存储器，比如CPU的一级和二级Cache，以及磁盘当中的高速缓冲存储器。这一节主要侧重CPU和主存之间的高速缓冲存储器。
Cache的功能：缓解快速CPU与慢速的主存之间的速度差异
Cache的理论基础：局部性原理
读操作
CPU和Cache之间是字交换，而Cache和主存之间是块交换。
命中时：CPU需要访问主存时，根据访问的地址在Cache中找到了想要的内容。若数据存在就命中。
这个过程有几个问题：
不命中时：如果CPU根据主存地址找Cache， 遍历了也没找到信息，就会去向主存要数据。这时候，为了不影响速度，主存会直接把数据传给CPU，同时，为了方便后续访问，将数据所在的一片区域的数据整块挪到Cache里面。
以上就是Cache的读操作。由上可知，如果数据不在Cache中，则访问速度就会变的很慢。
写操作
写操作也分为两种，一种是写穿策略，一种是写回策略。
写穿策略是指，CPU根据主存地址写Cache的同时，也要把接口写到主存当中去。
如图，将数据写入到主存中后，才会得后一个写完成的响应。
而写回策略，是CPU先向Cache中写数据，写完后Cache给CPU一个写完成的响应。等到CPU不再往Cache里写数据的时候，将Cache里的数据一起写到主存中。
由于Cache没有及时向主存中写数据，所以主存的数据不是最新的，而且如果外围设备有DMA操作，访问了主存，得到的数据就不是最新的。
总结两种策略各有优缺点。第一个策略的缺点是，没有用上Cache的高速特性。每次都写主存还是慢。但是第二个就是，主存中的数据不是最新的。
刚才说到，Cache和主存之间是块交换。但是由于原本主存地址是一维的，Cache中的地址是二维的，所以我们要把主存分块。一个数据地址就有了两个参数，说明是那一块，在这一块里这个字是第几个。
但是仅仅这样划分是不够的，还得细化分。刚才读操作命中时就有一个问题判断是不是再Cache中是如何判断的。现在通过细化分可以解决。将块地址再划分为一个tag和一个index。
为了迎合刚才主存做的一些变化以及解决刚才提出的三个问题，我们需要对Cache也做相应的变化。
如图所示将Cache分为几行，几行里又分出不同区域。
这里有一个抽象的操作流程的图
CPU根据剥离出来的Tag位判断数据是否在相连存储图表中判断数据是否在Cache中，如果在就直接让Cache给数据，如果不在，就把地址为传给主存，由主存将数据给CPU，然后主存再将那一块搬到Cache中的特定行。
在搬迁过程中，如果Cache中的特定行被占用了，那还有一个替换策略。后面会讲到。
前面说到Cache是解决快速的CPU和慢速的主存之间的速度差异。为了实现快速的查找，就需要用到相联存储器。
首先我们得知道相联存储器要解决哪些问题。
首先，根据上面的图，CPU是根据数据在主存的中的地址来访问主存的，这是冯诺依曼体系结构计算机的的工作原理里说明的。那为了实现快速的判断，如何实现按照主存地址查找Cache？是全部的地址信息吗？
如果用主存的全部地址来查找，那和直接访问主存查找没什么区别，没提高速度，所以只采用一部分地址（即主存地址的部分内容作为查找依据）。那具体是哪一部分参与查找，不同的查找方法有不同的规则。
那么有了规则，如何实现快速查找呢？传统的查找算法有顺序，二分查找等等，但是这种查找方法，满足不了高速缓冲存储器中快速查找的要求。所以我们采用另一种方法：使用相联存储器，通过硬件并发查找。
先看一下相联存储器的结构图
下面来详细说一下作用
先从主存地址数据中剥离出标记部分，标记部分送到相关电路。
给出有效位和标记位的存储体，这些内容都会送到多路并发比较线路中进行比较。将从地址中玻璃出阿里的标记，与原来存放在相连存储体中的标记进行多路的并发比较。
比较命中的时候，就是要访问的数据是在Cache中时，比较就会给出命中的结论。命中信号会通过多路选择题，从Cache的数据存储体中，将CPU要访问的数据取出来送给CPU从而实现快速查找。
上面解决了如何查找，那么我们应该怎么把主存中的数据映射到Cache中呢？如何搬迁才能实现快速查找？
最常见的映射方式有三种：全相联(fully-associated)，直接相连(direct mapped)，组相联(set-associated)。不用的映射方式，对应的搬迁时的规则和方法不同。下面来讲解三种映射的 特点和原理。
全相联映射首先要给主存分块，Cache分行（Line），而且两个分的单位大小要相同。如图所示
那么每一个字的地址就变为二维的。假如，一个块内有四个字，主存大小为1024个字，那么主存就能被分为256块。256表示为二进制就是8位二进制位。那么第61个字的主存地址为：00001111 01（块号 块内地址）。由于四个一块，第61个字在第15块里面，且是15块里面的第一个。将15转换为八位的二进制。
由此可看出，地址变成了二维的。
这种映射的方法是：主存的数据块可映射到Cache任意行，只要这个位置是空闲的或者符合某种替换规则。同时将该数据块地址对应行的标记存储体中保存。
