Такое ЛЗУ также называется иногда наборным или множественным (от слова "множество"). Идея ЛЗУ прямого отображения заключается в разбиении всего ОЗУ на блоки (страницы). Размер страницы равен размеру ЛЗУ. Рассмотрим архитектуру ЛЗУ прямого отображения на примере: пусть объем основного ЗУ составляет 16 ячеек, объем ЛЗУ — 4 ячейки. Тогда ЗУ разбивается на 4 страницы по 4 ячейки (рис. 1).
Рис. 1.  
ЛЗУ организовано таким образом, что все ячейки основного ЗУ, занимающие одинаковую позицию на своей странице, отображаются в одну и ту же ячейку ЛЗУ (рис. 2).
Рис. 2.  
Таким образом, на одну и ту же ячейку ЛЗУ могут претендовать несколько ячеек основной памяти. Следовательно, в таблице тэгов ЛЗУ достаточно хранить номер страницы, ячейка которой отображена в данный момент в соответствующей ячейке ЛЗУ. Так как объем ЛЗУ и количество страниц обычно кратны двум, номером страницы автоматически становится старшая часть адреса запрашиваемой ячейки. А младшая часть этого адреса становится индексом внутри страницы (он же индекс внутри ЛЗУ). Для нашего примера (4-разрядный адрес) два старших разряда будут определять номер страницы, два младших — индекс ячейки на странице (он же — индекс ячейки ЛЗУ).
В результате существенно упрощается алгоритм проверки запрашиваемого адреса на наличие в ЛЗУ. Необходимо определить индекс по младшей части адреса и сравнить старшую часть адреса (номер страницы) со значением, хранящимся в соответствующей строке таблицы тэгов. Если совпало — в данной ячейке ЛЗУ хранится ячейка именно с указанным адресом (с нужной страницы ОЗУ). Если не совпало — фиксируем ситуацию "кэш-промаха" и загружаем в ЛЗУ по полученному индексу данные из соответствующей ячейки соответствующей страницы ОЗУ. В результате поиск адреса в ЛЗУ сводится к одному сравнению. Данный факт является главным преимуществом архитектуры ЛЗУ прямого отображения.
Недостатком данной архитектуры является как раз то, что для отображения нескольких ячеек ОЗУ используется одна ячейка ЛЗУ. Если программа не оптимизирована и многократно обращается к ячейкам, имеющим одинаковый индекс на разных страницах, например, к данным из ячеек 0 и 4 в нашем примере (которые отображаются в одну и ту же ячейку ЛЗУ), мы получим ситуацию постоянно повторяющегося промаха ("пробуксовку кеша"). ЛЗУ при каждом обращении будет требоваться подгружать данные из ОЗУ, что резко снижает его эффективность.