前面讲过，与主存容量相比，Cache的容量很小，它保存的内容只是主存内容的一个子集，且Cache与主存的数据交换是以块为单位。为了把主存块放到Cache中，必须应用某种方法把主存地址定位到Cache中，这一过程称为地址映射。“映射”一词的物理含义是确定位置的对应关系，并用硬件来实现。这样当CPU访问存储器时，它所给出的一个字的存储器地址就会自动变换成Cache的地址。由于采用硬件，这个地址变换过程很快，软件人员丝毫感觉不到Cache的存在。
地址映射的方式通常有直接映射方式、全相联映射方式和组相联映射方式3种。
1.直接映射方式
直接映射方式是指主存中的每一个块只能被放置到Cache中唯一的一个指定位置，若这个位置已有内容，则产生块冲突，原来的块将无条件地被替换出去。直接映射方式是最简单的地址映射方式，成本低，易实现，地址变换速度快，而且不涉及其他两种映射方式中的替换算法问题。但这种方式不够灵活，Cache的块冲突概率最高，空间利用率最低。
直接映射的规则如图3-20所示。如主存的第0块、第8块，只能映射到Cache的第0块；而主存的第1块、第9块，只能映射到Cache的第1块，依次类推。
直接映射的关系可定义为
j=i（modN）
其中，j是Cache中的块号，i是主存中的块号，N为Cache的块数。
例3-2：设有一个Cache的容量为2K字，每个块为16字，求：
（1）该Cache可容纳多少个块？
（2）如果主存的容量是256K字，则有多少个块？
（3）主存的地址有多少位？Cache地址有多少位？
（4）在直接映射方式下，主存中的第i块映射到Cache中哪一个块中？
（5）进行地址映射时，存储器的地址分成哪几段？各段分别有多少位？
解：
（1）Cache中有2 048/16=128个块。
（2）主存有256K/16=16 384个块。(www.xing528.com)
（3）主存的容量是256K=218字，所以主存字地址为18位。Cache容量为2K=211字，所以Cache字地址为11位。
（4）主存中的第i块映射到Cache中第i（mod 128）个块中。
（5）存储器的字地址分成三段：区号、块号、块内字地址。区号的长度为18-11=7位，块号为7位，块内字地址为4位。
2.全相联映射方式，
如图3-21所示，全相联映射方式允许主存中的任意一个块映射到Cache存储器的任何一个字块位置上，也允许从已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧块，当访问一个块中的数据时，块地址要与Cache块表中的所有地址标记进行比较以确定是否命中。在调入数据块时，存在着一个比较复杂的替换策略问题，即决定将数据块调入Cache中的什么位置，将Cache中哪一块数据调出到主存。
这只是一个理想的方案，实际上很少采用。主要由于采用全相联映射方式时标记的位数增加比较多，使Cache标记容量加大，当访问Cache时，需要和Cache的全部标记进行比较才能判断出所访主存地址的内容是否已在Cache中。由于Cache速度要求高，通常由按内容寻址的相联存储器完成，所需硬件逻辑电路很复杂，以至于无法用于Cache中。这种方式的优点是灵活，Cache的块冲突概率小，空间利用率高，但是地址变换速度慢，而且成本高，实现起来比较困难。
图3-20 直接映射方式
图3-21 全相联映射方式
3.组相联映射方式
组相联映射方式是将主存空间按Cache大小等分成区后，再将Cache空间和主存空间中的每一区都等分成大小相同的组。让主存各区中某组中的任何一块，均可直接映射到Cache中对应组的任何一块位置上，即组间采取直接映射，而组内采取全相联映射。
组相联映射实际上是全相联映射和直接映射的折中方案，也可以说是上述两种映射方式的一般形式，当组的大小为1时就变成了直接映射，反之，当组的大小为整个Cache的大小时就变成了全相联映射。所以其优点和缺点介于全相联和直接映射方式的优缺点之间。
组相联映射规则如图3-22所示。主存分成2区，每区4组，每组2块；Cache分为4组，每组2块。主存的第9块将可以映射到Cache的第0块或第1块的位置上。
图3-22 组相联映射方式
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