Keskusprosessorin (CPU) välimuisti on eräänlainen hajamuisti (RAM), joka on rakennettu suoraan tietokoneen mikroprosessoriin ja joka on nimetty L1 -välimuistiksi. Toinen prosessorin välimuistivalikoima on rajoitettu kapasiteetti L2 staattinen RAM (SRAM) -piiri emolevyllä. Molemmat tämän tyyppiset muistit ovat ensimmäisiä, joita mikroprosessori käyttää suorittaessaan rutiiniohjeita ennen tavallisen RAM -muistin käyttöä, ja tämä parantaa prosessorin suorituskykyä.
Käytäntö sijoittaa suorittimen välimuisti mikroprosessoreille välitöntä pääsyä varten muistiin nopeuttaakseen tiedonsaantia prosessorille on tehty vuodesta 80486 lähtien tehdyn 1989 -tietokoneprosessorin, johon oli rakennettu alkeellinen L1 -välimuistirekisteri, luomisen jälkeen. Suuremmat L2 -välimuistin tasot, jotka integroitiin suoraan suorittimen toimintoihin, otettiin käyttöön vuonna 1995. Vuodesta 2011 alkaen joissakin L3 -nimisissä tietokonejärjestelmissä on myös kolmas suorittimen välimuistitaso, jota käytetään ennen järjestelmän päämuistia itseään käytetään. Jokainen välimuistitaso on suunniteltu suuremmaksi ja hitaammaksi, kun etäisyys mikroprosessorista kasvaa. L1 -suorittimen välimuistin varhaisimmat tasot olivat 8 kilotavua, ja L2 -välimuisti koneissa ylitti jo vuonna 2007 6 megatavun kokorajan, ja joissakin järjestelmissä oli vuodesta 2011 lähtien jopa 4 megatavun kokoinen L64 -välimuistipuskuri.
Mikroprosessorien nopean ja pienen äänenvoimakkuuden välimuistitoiminto keskittyy ohjeiden suorittamiseen. Kun mikroprosessori suorittaa toimintoja, sen on perinteisesti lähetettävä tietopyynnöt päämuistiin järjestelmäväylän kautta. Tietokoneen kannalta tämä on hyvin hidas prosessi, joten suorittimien suunnittelijat rakensivat pikakuvakkeet prosessille, jota mikroprosessori käyttää toistuvasti. Kun usein käytetyt tiedot on jo ladattu suorittimen välimuistiin, mikroprosessori voi suorittaa toimintoja paljon nopeammin ja tehokkaammin. Tästä syystä tätä keskusyksikkömuistia kutsutaan usein käskyvälimuistiksi tai datavälimuistiksi, jos se on sidottu suoraan tietokoneen mikroprosessorin ja laitteiston toimintaan. Sitä vastoin suuri osa tietokoneen normaaliin RAM -muistiin tallennetusta datasta on ohjelmiston välimuisti monille tietokoneille samanaikaisesti käynnissä oleville ohjelmille.
L1-välimuistia kutsutaan usein myös suojatuksi muistiksi tai muistiksi, jolla ei ole kirjoitusvarausta, koska tähän välimuistiin tallennetut tiedot ovat välttämättömiä tietokoneen toiminnalle. Jos se vahingossa korvataan, tietokone voi kärsiä yleisestä suojausvirheestä, jossa se joutuu sammuttamaan itsensä ja käynnistämään uudelleen, jotta tyhjennetään vioittunut suorittimen välimuisti. Useilla CPU -välimuistitasoilla on kirjoituspuskuritoiminto, jossa ne kirjoittavat sinne tallennetut tiedot takaisin päämuistiin vapauttaakseen tilaa välimuistissa silloin, kun useammin käytetyt toiminnot tarvitsevat korkeamman prioriteetin käsittelyssä.
Suuret määrät suorittimen välimuistia parantavat mikroprosessorin suorituskykyä siinä määrin, että se voi olla nopeampi kuin nopeampi prosessori, jossa on vähemmän välimuistia järjestelmässä. Etupuolen väylän (FSB) nopeus on myös tärkeä tekijä mikroprosessorin suorituskyvyn määrittämisessä. Väylänopeudet yleensä ovat perinteisesti olleet pullonkaula henkilökohtaisten tietokoneiden (PC) suorituskykyominaisuuksissa, joissa käsittely on kanavoitava edestakaisin väylän kautta muistiin. Korkeat FSB -hinnat vuodesta 2011 alkaen Core 2 -prosessoreille ovat 1,600 megahertsin tasolla tai 1,600 miljoonaa jaksoa sekunnissa tietokoneen käskysarjoista.