一級緩存和二級緩存中的內容都是內存中訪問頻率高的數據的復制品（映射），它們的存在都是為了減少高速CPU對慢速內存的訪問 。通常CPU找數據或指令的順序是：先到一級緩存中找，找不到再到二級緩存中找，如果還找不到就只有到內存中找了 。
緩存的技術發展
最早先的CPU緩存是個整體的，而且容量很低，英特爾公司從Pentium時代開始把緩存進行了分類 。當時集成在CPU內核中的緩存已不足以滿足CPU的需求，而制造工藝上的限制又不能大幅度提高緩存的容量 。因此出現了集成在與CPU同一塊電路板上或主板上的緩存，此時就把CPU內核集成的緩存稱為一級緩存，而外部的稱為二級緩存 。一級緩存中還分數據緩存（DataCache，D-Cache）和指令緩存（InstructionCache，I-Cache） 。二者分別用來存放數據和執行這些數據的指令，而且兩者可以同時被CPU訪問，減少了爭用Cache所造成的沖突，提高了處理器效能 。英特爾公司在推出Pentium4處理器時，用新增的一種一級追蹤緩存替代指令緩存，容量為12KμOps，表示能存儲12K條微指令 。
隨著CPU制造工藝的發展，二級緩存也能輕易的集成在CPU內核中，容量也在逐年提升 。現在再用集成在CPU內部與否來定義一、二級緩存，已不確切 。而且隨著二級緩存被集成入CPU內核中，以往二級緩存與CPU大差距分頻的情況也被改變，此時其以相同于主頻的速度工作，可以為CPU提供更高的傳輸速度 。
二級緩存是CPU性能表現的關鍵之一，在CPU核心不變化的情況下，增加二級緩存容量能使性能大幅度提高 。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二級緩存上有差異，由此可見二級緩存對于CPU的重要性 。
CPU在緩存中找到有用的數據被稱為命中，當緩存中沒有CPU所需的數據時（這時稱為未命中），CPU才訪問內存 。從理論上講，在一顆擁有二級緩存的CPU中，讀取一級緩存的命中率為80% 。也就是說CPU一級緩存中找到的有用數據占數據總量的80%，剩下的20%從二級緩存中讀取 。由于不能準確預測將要執行的數據，讀取二級緩存的命中率也在80%左右（從二級緩存讀到有用的數據占總數據的16%） 。那么還有的數據就不得不從內存調用，但這已經是一個相當小的比例了 。目前的較高端的CPU中，還會帶有三級緩存，它是為讀取二級緩存后未命中的數據設計的—種緩存，在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數據需要從內存中調用，這進一步提高了CPU的效率 。
為了保證CPU訪問時有較高的命中率，緩存中的內容應該按一定的算法替換 。一種較常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是將最近一段時間內最少被訪問過的行淘汰出局 。因此需要為每行設置一個計數器，LRU算法是把命中行的計數器清零，其他各行計數器加1 。當需要替換時淘汰行計數器計數值最大的數據行出局 。這是一種高效、科學的算法，其計數器清零過程可以把一些頻繁調用后再不需要的數據淘汰出緩存，提高緩存的利用率 。
CPU產品中，一級緩存的容量基本在4KB到64KB之間，二級緩存的容量則分為128KB、256KB、512KB、1MB、2MB、4MB等 。一級緩存容量各產品之間相差不大，而二級緩存容量則是提高CPU性能的關鍵 。二級緩存容量的提升是由CPU制造工藝所決定的，容量增大必然導致CPU內部晶體管數的增加，要在有限的CPU面積上集成更大的緩存，對制造工藝的要求也就越高 。
現在主流的CPU二級緩存都在2MB左右，其中英特爾公司07年相繼推出了臺式機用的4MB、6MB二級緩存的高性能CPU，不過價格也是相對比較高的，對于對配置要求不是太高的朋友，一般的2MB二級緩存的雙核CPU基本也可以滿足日常上網需要了 。

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