在计算机存储体系中，cpu与主存乃至外存的速度相差过大，如果每次都直接从中取出数据，cpu需要耗费大量时间在读写上，为了提高利用率，分级存储系统就是为了缓解这一问题。
但cache作为靠近cpu的一级存储器，并不能将内存做的过大。cache一般由SRAM制成，每个单位都需要6个MOS管，这就意味着cache的集成度低，而且成本更高。
在计算机中存在着两个局部性理论：空间局部性理论指出，最近未来会用到的数据和指令，很可能和当前指令或数据存在接近的空间位置。时间局部性理论指出，最近未来会用到的数据和指令，很可能是现在正在使用的信息。基于局部性原理，我们可以将当前访问地址的附近内容装入cache，方便cpu取用。
在使用cache时，将主存和cache均分为相等大小的小内存块。以块为单位交换数据。 例：主存4MB，相当于22位地址可达。如果以1KB为单位分配可以分为4096块。这22位地址就分为了12位块号和10位块内地址。 在执行将主存块内容搬入对应cache块时，由于主存块数量肯定多于cache块数量，有三种常见的映射方式决定它们之间要如何匹配：
1）直接映射 直接对二者进行映射 每个cache可存放 目标主存号%cache总块数 的主存块 假如有6个主存块，3个cache块，那么1号cache块可存放1、4号主存块，2-->2、5，3-->3、6
2）全相联映射 任意cache块可存放任意主存块
3）组相联映射 先将cache分组， 每组内任意cache都可存放 目标主存块号%cache组数 的主存块。也就是说将直接映射的单位变成了一组cache块。
为了拷贝数据，需要主存到cache之间的映射关系，这些映射关系被存放在映射关系表中。
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在实际使用中，cache每块前可以加一个标记，用来记录自己存储主存块号；除了块号，还要添加一个有效位，用于标记是否用过该块。
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在拥有了cache后，CPU访问数据的操作是这样的：首先在cache中检查是否有对应块，如果有则直接取用，此时称为命中。如果没有，还需要去访问主存。
cache的容量有限，如果对应的cache已经被使用，但此时又有新内存需要载入，那么就需要使用到cache的替换算法：
1）随机替换 RAND
2）先进先出 FIFO 最先被使用的cache块先被替换
3）近期最少优先，LRU 每个cache块上加入计数器，记录该块已经有多久未被使用，每次替换时替换最久无用块。 在每次调入一个内存数据块时，新cache块计数器置零，而其他cache块计数全部+1.
4）最不经常使用 LFU 同样有计数器，但此时计数器记录的是该块被访问的次数。调入新块时，新块的计数器置零。
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在使用cache时，由于cache本质就是拷贝了一小部分的主存数据，所以CPU在操作时产生了一个问题：如果CPU修改了数据，那么如何保证cache和主存的数据是同步的？
在cache的写策略中，根据是否命中，有四种策略可以使用：
命中时：
1）写回法：CPU命中时，只修改cache的数据，此块被置换出去以后才写回内存；使用这种策略时，每块cache还要增加一个标志位标记此块是否被使用过。
2）全写法：命中时，cache和对应主存的数据都修改；
未命中时：
1）写分配法：先把数据调入cache块，然后修改cache的数据，一般这种方式要配合写回法使用；
2）非写分配法：如果没有命中，直接修改主存的数据，不再调入cache。
一般情况下，cache不止一级，各级cache间使用全写法+非写分配法，cache和主存间使用写回法+写分配法。
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注：cache等存储器操作不需要CPU的参与，它们对于CPU来说是完全透明的。