Cache-ul unității centrale de procesare (CPU) este un tip de memorie cu acces aleatoriu (RAM) care este încorporat direct în microprocesorul propriu-zis al unui computer și este desemnat ca cache L1. O altă varietate de memorie cache a CPU este cipurile RAM statice L2 (SRAM) cu capacitate limitată de pe placa de bază. Ambele tipuri de memorie sunt primele care sunt accesate de microprocesor în efectuarea instrucțiunilor de rutină înainte ca memoria RAM standard să fie utilizată, iar acest lucru oferă procesoarelor caracteristici de performanță îmbunătățite.
Practica plasării memoriei cache a CPU pe microprocesoare pentru accesul imediat la memorie pentru a accelera accesul la date pentru procesor se face încă de la crearea procesorului de calculator 80486 realizat în 1989, care avea încorporat un registru cache L1 rudimentar. Niveluri mai mari de cache L2 care au fost integrate direct în funcționalitatea procesorului au intrat în uz în 1995. Din 2011, un al treilea nivel de memorie cache a procesorului există și în unele sisteme de computer cunoscute sub numele de L3, care este accesat înainte de memoria RAM principală a sistemului. în sine este folosit. Fiecare nivel de cache este proiectat să fie mai mare și mai lent ca performanță pe măsură ce distanța sa față de microprocesor crește. Cele mai vechi niveluri ale memoriei cache a procesorului L1 aveau o dimensiune de 8 kiloocteți, cache-ul L2 pe mașini începând din 2007 depășind deja limita de dimensiune de 6 megaocteți, iar unele sisteme din 2011 au încorporat un buffer cache L4 de până la 64 de megaocteți.
Funcția memoriei cache de mare viteză și volum redus pentru microprocesoare se concentrează pe modul în care acestea execută instrucțiunile. Pe măsură ce un microprocesor efectuează operațiuni, în mod tradițional trebuie să trimită cereri de date către memoria principală prin magistrala sistemului. În ceea ce privește computerul, acesta este un proces foarte lent, așa că designerii CPU au creat scurtături pentru procesul de date care sunt accesate în mod repetat de microprocesor. Când datele accesate frecvent sunt deja încărcate în memoria cache a procesorului, microprocesorul poate efectua operațiuni la o rată mult mai rapidă și mai eficientă. Din acest motiv, această memorie a unității centrale de proces este adesea denumită cache de instrucțiuni sau cache de date, unde este legată direct de funcționalitatea microprocesorului și hardware-ul computerului însuși. În schimb, multe dintre datele stocate în RAM standard pe un computer sunt cache software pentru numeroasele programe pe care computerul le rulează simultan.
Cache-ul L1 este adesea denumit memorie protejată sau memorie cu o alocare fără scriere, deoarece datele stocate în acest cache sunt esențiale pentru funcționarea computerului. Dacă este suprascris accidental, computerul poate suferi o defecțiune generală de protecție, în care este forțat să se închidă și să repornească pentru a șterge memoria cache a CPU coruptă. Diverse niveluri de memorie cache a procesorului au funcționalitate buffer de scriere, unde vor scrie datele stocate acolo înapoi în memoria principală pentru a elibera spațiu în cache pentru atunci când operațiunile accesate mai frecvent trebuie să aibă o prioritate mai mare în procesare.
Cantitățile mari de memorie cache ale procesorului vor îmbunătăți performanța unui microprocesor până la un punct în care acesta poate depăși un procesor mai rapid care are mai puțină memorie cache încorporată în sistem. Viteza magistralei frontale (FSB) este, de asemenea, esențială în determinarea performanței microprocesorului. Vitezele magistralei, în general, au reprezentat în mod tradițional un blocaj pentru caracteristicile de performanță pe computerele personale (PC-uri) unde procesarea trebuie canalizată înainte și înapoi pe magistrală către memorie. Ratele FSB ridicate din 2011 pentru procesoarele Core 2 sunt la un nivel de 1,600 megaherți, sau 1,600 milioane de cicluri pe secundă, de seturi de instrucțiuni pentru computer.