Merkezi işlem birimi (CPU) önbelleği, doğrudan bir bilgisayarın mikro işlemcisine doğrudan yerleştirilen ve L1 önbelleği olarak atanan bir tür rasgele erişim belleğidir (RAM). Bir başka CPU önbellek çeşidi, anakart üzerindeki sınırlı kapasiteli L2 statik RAM (SRAM) yongalarıdır. Bu tip belleklerin her ikisi de standart RAM belleği kullanılmadan önce rutin talimatların yerine getirilmesinde mikroişlemci tarafından erişilen ilk bellektir ve bu işlemcilere gelişmiş performans özellikleri sağlar.
İşlemci için veri erişimini hızlandırmak amacıyla belleğe hemen erişmek için CPU önbellek mikroişlemcilerine yerleştirme uygulaması, 1989 yılında yapılan ilkel L1 önbellek kaydına sahip 80486 bilgisayar işlemcisinin oluşturulmasından bu yana yapıldı. 1995 yılında doğrudan işlemci işlevselliğine entegre olan daha büyük L2 önbellek seviyeleri kullanılmaya başlanmıştır. 2011'den itibaren, sistemin ana RAM belleğinden önce erişilen L3 olarak bilinen bazı bilgisayar sistemlerinde üçüncü seviye bir CPU önbellek belleği bulunmaktadır. kendisi kullanılır. Her bir önbellek seviyesi, mikroişlemciye olan uzaklığı arttıkça performansta daha büyük ve daha yavaş olacak şekilde tasarlanmıştır. En eski L1 CPU önbellek seviyeleri 8 kilobayt boyutundaydı, 2007'deki makinelerdeki L2 önbelleği zaten 6 megabayt boyut sınırını aştı ve 2011'den itibaren bazı sistemlerde 64 megabayt boyutuna kadar L4 önbellek tamponu kullandı.
Mikroişlemciler için yüksek hızlı, düşük hacimli önbellek belleği işlevi, talimatlarını yerine getirme şeklini merkez alır. Bir mikroişlemci işlemleri gerçekleştirirken, geleneksel olarak sistem veriyolu üzerinden ana belleğe veri talepleri göndermelidir. Bilgisayar terimleriyle bu çok yavaş bir işlemdir, bu nedenle CPU tasarımcıları, mikroişlemci tarafından art arda erişilen veriler için işlem için kısayollar oluşturmuştur. Sık erişilen veriler CPU önbelleğine zaten yüklendiğinde, mikroişlemci işlemleri çok daha hızlı ve daha verimli bir hızda gerçekleştirebilir. Bu nedenle, bu merkezi işlem birimi hafızasına genellikle doğrudan bilgisayarın mikroişlemcisinin ve donanımının işlevselliğine bağlı olduğu talimat önbelleği veya veri önbelleği denir. Buna karşılık, bir bilgisayarda standart RAM'de depolanan verilerin çoğu, bilgisayarın aynı anda çalıştığı birçok program için yazılım önbelleğidir.
L1 önbelleği ayrıca bu önbellekte depolanan veriler bilgisayarın işlevi için gerekli olduğundan, genellikle korumalı bellek veya yazma ayrılmayan bir bellek olarak da adlandırılır. Yanlışlıkla üzerine yazılırsa, bilgisayar kendini kapatması ve bozuk CPU önbelleğini temizlemek için yeniden başlatmaya zorlandığı genel bir koruma hatasına maruz kalabilir. Çeşitli CPU önbellek seviyelerinde yazma tamponu işlevi vardır; burada daha sık erişilen işlemlerin işlemede daha yüksek bir öncelik alması gerektiğinde önbellekte yer açmak için orada depolanan verileri ana belleğe geri yazar.
Büyük miktarda CPU önbellek, bir mikroişlemcinin performansını, sistemde daha az önbellek belleği olan daha hızlı bir işlemciden daha iyi bir performans gösterebileceği bir noktaya getirecektir. Ön veri yolunun (FSB) hızı da mikroişlemci performansının belirlenmesinde etkilidir. Genel olarak veri yolu hızları geleneksel olarak işlemenin veri yolu boyunca belleğe hafızaya alınması gerektiği kişisel bilgisayarlarda (PC'ler) performans özellikleri için bir darboğaz olmuştur. Core 2 işlemciler için 2011 itibariyle yüksek FSB oranları bilgisayar talimat setlerinde 1.600 megahertz veya saniyede 1.600 devir seviyesindedir.
