简而言之，因为内存太慢了，实际上内存之所以诞生也是基于类似的原因。理论上来说，一台计算机只需要外部存储器就能运行，但是这样速度太慢，尤其是早期使用的纸带、磁带，完全跟不上处理器的运算速度。因此人们发明了内存作为CPU和外部存储器之间的缓冲区域，CPU可以把读取到的数据和指令暂时存放在内存中，以便后续立即使用。内存作为随机存储器，免去了寻道等操作，存取延迟比外部存储器可以快上数个数量级，这样大大提升了系统的运行速度。
随机存储器主要有两种，静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM。SRAM无需刷新，速度快，但密度小，造价高昂。DRAM需要不断通电刷新，速度比较慢，但制造成本更低，容量更大。内存最开始有过SRAM的时期，随后就被更廉价的DRAM取代。一开始DRAM的速度还能跟得上CPU，比如CPU的频率在2MHz时内存的频率可以达到4MHz。而从上世纪80年代开始，CPU的速度很快就远远甩开的内存，差距逐渐达到数个数量级。
CPU与DRAM的速度差距越来越大。图片来自新泽西理工学院
这时候SRAM来救场了，它的速度仍能跟得上CPU，因此人们开始将其内置到CPU中，CPU缓存也因此诞生。最早有记录使用缓存的系统是通用电气的645和IBM360/67，它们配备了TLB转换检测缓冲区，用于加快内存寻址，而最早有记录搭载了数据缓存的系统是IBM System/360 Model 85。我们比较熟悉的摩托罗拉68k系列处理器中，发布于1984年的68020是第一款真正搭载了缓存的68k CPU，拥有256字节的指令缓存。
现在的CPU大都有一套多层缓存系统，将缓存分为L1、L2、L3等，有的还有L4。当L1发生缓存命中失败后，CPU会尝试去L2中读取，如果又失败，则继续向下一层缓存寻找。数字越小，缓存的速度越快，但成本也越高，因此容量一般更小。缓存并不是越大越好，虽然更大的缓存虽然能存储更多的数据和指令，但每一次寻址需要花费更多的周期，可能最终得不偿失。缓存的设计需要平衡时间、空间和制造成本，是CPU架构设计中的一个重要环节。
图为英特尔CPU结构示意图。图片来自AnandTech
超能网友博士 2019-08-07 14:59 | 加入黑名单
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超能网友教授 2019-08-07 08:40 | 加入黑名单
该评论年代久远，荒废失修，暂不可见。
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游客 2019-08-06 20:33
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我匿名了 2019-08-06 20:31
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游客 2019-08-06 15:13
该评论年代久远，荒废失修，暂不可见。
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游客 2019-08-06 13:47
该评论年代久远，荒废失修，暂不可见。
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