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　Cache（高速缓冲存储器）的功能是提高CPU数据输入/输出的速率，突破所谓的“冯•诺依曼瓶颈”，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。高速存储器能以极高的速率进行数据的访问，但其价格高昂。如果计算机的主存储器完全由这种高速存储器组成，则会大大增加计算机的成本。通常在CPU和主存储器之间设置小容量的高速存储器Cache。Cache容量小但速度快，主存储器速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，其存储系统容量与主存相当，而访问速度近似Cache。在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度最快的层次。

　使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理（有关此原理的详细介绍，请读者阅读“操作系统”相关章节）。依据局部性原理，把主存储器中访问概率高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有，则直接从Cache中读取；若没有再从主存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache。如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为访问命中，hit），则可以大大提高系统性能。

　如果以p代表对Cache的访问命中率，t1表示Cache的周期时间，t2表示主存储器周期时间。以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3，则t3=p×t1+（1–p）×t2。其中，（1–h）又称为失效率（未命中率）。

　系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系，命中率的提高即使很小，也能导致性能上的较大改善。

　当CPU发出访问请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中，则直接对Cache进行访问。这个过程称为Cache的地址映射。常见的映射方法有直接映射、全相联映射和组相联映射。

　当Cache存储器产生了一次访问未命中之后，相应的数据应同时读入CPU和Cache。但是当Cache已存满数据后，新数据必须淘汰Cache中的某些旧数据。最常用的淘汰算法有随机淘汰法、先进先出法（FIFO）和近期最少使用淘汰法（LRU）。

　因为需要保证缓存在Cache中的数据与主存中的内容一致，相对读操作而言，Cache的写操作比较复杂，常用的有以下几种方法。

　（1）写直达（write through）：当要写Cache时，数据同时写回主存储器，有时也称为写通。

　（2）写回（write back）：CPU修改Cache的某一行后，相应的数据并不立即写入主存储器单元。而是当该行从Cache中被淘汰时，才把数据写回到主存储器中。

　（3）标记法：对Cache中的每一个数据设置一个有效位。当数据进入Cache后，有效位置为1；而当CPU要对该数据进行修改时，数据只需写入主存储器并同时将该有效位清0。当要从Cache中读取数据时需要测试其有效位：若为l，则直接从Cache中取数，否则从主存中取数。

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