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高速缓存（Cache）是位于CPU和主存之间的高速存储子系统。采用高速缓存的主要目的是提高存储器的平均访问速度，使存储器的速度与CPU的速度相匹配。Cache的存在对程序员是透明的。其地址变换和数据块的替换算法均由硬件实现。通常Cache被集成到CPU内，以提高访问速度，其主要特点是容量小、速度快、成本高。
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Cache的组成如下图所示。Cache由两部分组成，即控制部分和缓存部分。缓存部分用来存放主存的部分复制信息。控制部分的功能是：判断CPU要访问的信息是否在Cache中，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对Cache寻址；未命中时，要按照替换原则，决定主存的一块信息放到Cache的哪一块里面。
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因为处理机访问都是按主存地址访问的，而应从Cache中读写信息，因此这就需要地址映像，即把主存中的地址映射成Cache中的地址。地址映像的方法有3种，即直接映像、全相联映像和组相联映像。
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（1）直接映像就是主存的块与Cache中块的对应关系是固定的。主存中的块只能存放在Cache的相同块号中。因此，只要主存地址中的主存区号与Cache中的主存区号相同，则表明访问Cache命中。一旦命中，以主存地址中的区内块号立即可得到要访问的Cache中的块。这种方式的优点是地址变换很简单，缺点是灵活性差。
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（2）全相联映像允许主存的任一块可以调入Cache的任何一块的空间中。在地址变换时，利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中的主存块号进行比较，若相同则为命中。这种方式的优点是主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活；其缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。
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（3）组相联映像是前面两种方式的折中。具体做法是将Cache中的块再分成组。组相联映像就是规定组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。这种方式下，通过直接映像方式来决定组号，在一组内再用全映像方式来决定Cache中的块号。由主存地址高位决定主存区号，与Cache中区号比较可决定是否命中。主存后面的地址即为组号，但组块号要根据全相联映像方式，由记录可以决定组内块号。
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选择替换算法的目标是使Cache获得最高的命中率。常用的替换算法有以下几种。
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（1）随机替换（RAND）算法：用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。
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（2）先进先出（FIFO）算法：将最先进入的Cache信息块替换出去。
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（3）近期最少使用（LRU）算法：将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。这种算法比先进先出算法要好些，但此法也不能保证过去不常用的将来也不常用。
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（4）优化替换（OPT）算法：先执行一次程序，统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换，达到最优的目的。
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若H为Cache的命中率，tc为Cache的存取时间，tm为主存的访问时间，则Cache的等效访问时间ta为
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使用Cache比不使用Cache的CPU访问存储器的速度提高的倍数r可以用下式求得，即
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