Метод множественно-ассоциативного отображения основан на методе прямого отображения, описанном ранее. Кэш прямого отображения имеет единственный ассоциативный набор адресов, т.е. один адрес основной памяти может быть ассоциирован (или отображен) только с определенным адресом строки кэша. Двухстраничный множественно-ассоциативный кэш содержит два набора, поэтому адрес памяти может содержаться в одной из двух строк кэша. В свою очередь, четырехстраничный множественно-ассоциативный кэш хранит адрес памяти в одной из четырех различных строк кэша (наборах). Увеличение ассоциативных наборов повышает шанс обнаружить необходимое значение; тем не менее это занимает несколько больше времени, так как, чтобы найти определенное местоположение в кэше, понадобится просмотреть больше адресных тегов. В сущности, каждый набор в n-страничном множественно-ассоциативном кэше является субкэшем, ассоциированным с определенным адресом основной памяти. По мере увеличения субкэшей или наборов кэш становится полностью ассоциативным, т.е. каждый адрес памяти может храниться в любой строке кэша. В подобном случае n-страничный ассоциативный кэш будет представлять собой разумный компромисс между полностью ассоциативным кэшем и кэшем прямого отображения.
В целом кэш прямого отображения отличается наибольшей эффективностью размещения данных в кэш и считывания данных из кэша, поскольку для определенного адреса основной памяти необходимо просмотреть только один адресный тег. Тем не менее данный метод отличается повышенным количеством промахов по сравнению с другими методами. Полностью ассоциативный кэш характеризуется наилучшим уровнем совпадений, а также наименьшим быстродействием при обнаружении и получении данных, так как требуется просмотреть намного больше адресных тегов. В то же время n-страничный ассоциативный кэш предлагает компромиссный вариант между оптимизацией быстродействия кэша и процентом совпадений. Для обеспечения работы этого кэша требуется больше двоичных тег-разрядов, схем сравнений (компараторов) и т.д., поэтому реализация кэша является более дорогостоящей. Безусловно, выбор схемы кэширования состоит в поиске выгодной альтернативы, а выбранный метод в одном системном окружении может оказаться непригодным в другом. Многозадачная вычислительная среда, в частности операционная система Windows, представляет собой пример системного окружения, в котором процессор одновременно обрабатывает несколько областей памяти, поэтому использование n-страничного ассоциативного кэша помогает повысить производительность системы.
Организация кэш-памяти в процессорах 486 и семействе Pentium называется четырех-страничным набором ассоциативного кэша (four-way set associative cache), что подразумевает разделение кэш-памяти на четыре блока. Каждый блок, в свою очередь, организуется в виде 128 или 256 строк по 16 байт в каждой. Ниже приведены характеристики кэш-памяти первого и второго уровней.
Содержимое кэша всегда должно соответствовать содержимому основной памяти, чтобы процессор работал с самыми свежими данными. Поэтому в семействе процессоров 486 используется кэш со сквозной записью (write-through), при которой данные, записанные в кэш, автоматически записываются и в основную память.