La cache dell’unità di elaborazione centrale (CPU) è un tipo di memoria ad accesso casuale (RAM) che è incorporata direttamente nel microprocessore stesso di un computer ed è designata come cache L1. Un’altra varietà di cache della CPU sono i chip di RAM statica L2 (SRAM) a capacità limitata sulla scheda madre. Entrambi questi tipi di memoria sono i primi a cui accede il microprocessore nell’esecuzione di istruzioni di routine prima che venga utilizzata la memoria RAM standard, e ciò conferisce ai processori caratteristiche di prestazioni migliorate.
La pratica di posizionare la memoria cache della CPU sui microprocessori per l’accesso immediato alla memoria al fine di accelerare l’accesso ai dati per il processore è stata praticata dalla creazione del processore per computer 80486 realizzato nel 1989, che aveva un registro cache L1 rudimentale integrato. Livelli più grandi di cache L2 che sono stati direttamente integrati nella funzionalità del processore sono entrati in uso nel 1995. A partire dal 2011, esiste anche un terzo livello di memoria cache della CPU in alcuni sistemi di computer noti come L3, a cui si accede prima della memoria RAM principale del sistema stesso è utilizzato. Ogni livello di cache è progettato per essere più grande e più lento nelle prestazioni all’aumentare della sua distanza dal microprocessore. I primi livelli di cache della CPU L1 avevano una dimensione di 8 kilobyte, con la cache L2 sulle macchine a partire dal 2007 che già superava il limite di 6 megabyte e alcuni sistemi a partire dal 2011 avevano incorporato un buffer della cache L4 di dimensioni fino a 64 megabyte.
La funzione della memoria cache ad alta velocità ea basso volume per i microprocessori è incentrata sul modo in cui eseguono le istruzioni. Quando un microprocessore esegue operazioni, deve tradizionalmente inviare richieste di dati alla memoria principale attraverso il bus di sistema. In termini informatici, questo è un processo molto lento, quindi i progettisti di CPU hanno creato scorciatoie per il processo per i dati a cui il microprocessore accede ripetutamente. Quando i dati a cui si accede frequentemente sono già caricati nella cache della CPU, il microprocessore può eseguire operazioni a una velocità molto più rapida ed efficiente. Per questo motivo, questa memoria dell’unità di elaborazione centrale è spesso denominata cache di istruzioni o cache di dati dove è legata direttamente alla funzionalità del microprocessore e all’hardware del computer stesso. Al contrario, gran parte dei dati archiviati nella RAM standard di un computer sono cache software per i numerosi programmi che il computer esegue contemporaneamente.
La cache L1 viene spesso definita anche memoria protetta o memoria con allocazione senza scrittura, poiché i dati archiviati in questa cache sono essenziali per il funzionamento del computer. Se viene sovrascritto accidentalmente, il computer può subire un errore di protezione generale in cui è costretto a spegnersi e riavviarsi per cancellare la cache della CPU danneggiata. Vari livelli di cache della CPU hanno funzionalità di buffer di scrittura, in cui riscriveranno i dati archiviati nella memoria principale per liberare spazio nella cache per quando le operazioni a cui si accede più frequentemente devono avere una priorità maggiore nell’elaborazione.
Grandi quantità di cache della CPU miglioreranno le prestazioni di un microprocessore a un punto in cui può superare un processore più veloce che ha meno memoria cache integrata nel sistema. Anche la velocità del bus front-side (FSB) è determinante nel determinare le prestazioni del microprocessore. Le velocità del bus in generale sono state tradizionalmente un collo di bottiglia per le caratteristiche delle prestazioni sui personal computer (PC) in cui l’elaborazione deve essere incanalata avanti e indietro attraverso il bus verso la memoria. Alti tassi di FSB a partire dal 2011 per i processori Core 2 sono a un livello di 1,600 megahertz, o 1,600 milioni di cicli al secondo, di set di istruzioni per computer.