CPU的緩存設計是為了更快的數據處理速度，因為電腦的硬盤尤其是機械硬盤速度非常慢，比起CPU動輒幾Ghz的頻率差太多了，這樣如果CPU直接從硬盤調取數據就需要大量的時間等待，從而導致降低性能，無法充分發揮CPU的性能優勢，在這種情況下就為CPU設計了專用緩存，過去緩存是和CPU本體分離的，隨著半導體工藝的進步，CPU緩存就完全融為一體了，速度也比以前更快。
CPU為什么要設計一二三級緩存？因為一級緩存的速度是最快的，同時也是最復雜的，限于CPU核心面積，一級緩存不可能設計的很大，所以到現在的CPU的一級緩存也不過以KB來計算。
二級緩存主要就是用來彌補一級緩存容量的不足，因為緩存再快要是存儲不了多少數據也會降低性能，這樣二級緩存就使用了不同的結構以增大容量為主，目前主流CPU的二級緩存容量都是一級緩存的好幾倍，但是在多核CPU中，每個核心的二級緩存都是獨立的。
三級緩存出現的最晚，它是為了進一步增大CPU緩存容量以提高命中率來設計的，和二級緩存不同的是，三級緩存一般都是CPU所有核心共享的緩存，這樣設計可以大大提高CPU利用緩存的效率和靈活度，也是目前CPU緩存最大的一類。
CPU緩存的結構設計和內存是不同的，內存DRAM芯片結構更適合做大容量，所以能輕易做到以G為單位的容量，但是速度比起CPU內部緩存就慢很多，內存是作為CPU與硬盤之間的數據存儲功能，在速度上從快到慢是一級緩存>二級緩存>三級緩存>內存>硬盤，電腦正是通過這樣的設計一方面盡可能提高了CPU的速度，另一方面把整體成本降低到合理區間。
