在思考為什麼需要cache之前，我們首先先來思考另乙個問題：我們的程式是如何執行起來的？
我們應該知道程式是執行在 ram之中，ram 就是我們常說的ddr（例如： ddr3、ddr4等）。我們稱之為main memory（主存）。當我們需要執行乙個程序的時候，首先會從磁碟裝置（例如，emmc、ufs、ssd等）中將可執行程式load到主存中，然後開始執行。在cpu內部存在一堆的通用暫存器（register）。如果cpu需要將乙個變數（假設位址是a）加1，一般分為以下3個步驟：
cpu 從主存中讀取位址a的資料到內部通用暫存器 x0（arm64架構的通用暫存器之一）。
通用暫存器 x0 加1。
cpu 將通用暫存器 x0 的值寫入主存。
我們將這個過程可以表示如下：
cpu register的速度一般小於1ns，主存的速度一般是65ns左右。速度差異近百倍。因此，上面舉例的3個步驟中，步驟1和步驟3實際上速度很慢。當cpu試圖從主存中load/store 操作時，由於主存的速度限制，cpu不得不等待這漫長的65ns時間。如果我們可以提公升主存的速度，那麼系統將會獲得很大的效能提公升。如今的ddr儲存裝置，動不動就是幾個gb，容量很大。如果我們採用更快材料製作更快速度的主存，並且擁有幾乎差不多的容量。其成本將會大幅度上公升。我們試圖提公升主存的速度和容量，又期望其成本很低，這就有點難為人了。因此，我們有一種折中的方法，那就是製作一塊速度極快但是容量極小的儲存裝置。那麼其成本也不會太高。這塊儲存裝置我們稱之為cache memory。在硬體上，我們將cache放置在cpu和主存之間，作為主存資料的快取。 當cpu試圖從主存中load/store資料的時候， cpu會首先從cache中查詢對應位址的資料是否快取在cache 中。如果其資料快取在cache中，直接從cache中拿到資料並返回給cpu。當存在cache的時候，以上程式如何執行的例子的流程將會變成如下：
cpu和主存之間直接資料傳輸的方式轉變成cpu和cache之間直接資料傳輸。cache負責和主存之間資料傳輸。
cahe的速度在一定程度上同樣影響著系統的效能。一般情況cache的速度可以達到1ns，幾乎可以和cpu暫存器速度媲美。但是，這就滿足人們對效能的追求了嗎？並沒有。當cache中沒有快取我們想要的資料的時候，依然需要漫長的等待從主存中load資料。為了進一步提公升效能，引入多級cache。前面提到的cache，稱之為l1 cache（第一級cache）。我們在l1 cache 後面連線l2 cache，在l2 cache 和主存之間連線l3 cache。等級越高，速度越慢，容量越大。但是速度相比較主存而言，依然很快。不同等級cache速度之間關係如下：
首先引入兩個名詞概念，命中和缺失。 cpu要訪問的資料在cache中有快取，稱為「命中」 (hit)，反之則稱為「缺失」 (miss)。多級cache之間是如何配合工作的呢？我們假設現在考慮的系統只有兩級cache。
當cpu試圖從某位址load資料時，首先從l1 cache中查詢是否命中，如果命中則把資料返回給cpu。如果l1 cache缺失，則繼續從l2 cache中查詢。當l2 cache命中時，資料會返回給l1 cache以及cpu。如果l2 cache也缺失，很不幸，我們需要從主存中load資料，將資料返回給l2 cache、l1 cache及cpu。這種多級cache的工作方式稱之為inclusive cache。某一位址的資料可能存在多級快取中。與inclusive cache對應的是exclusive cache，這種cache保證某一位址的資料快取只會存在於多級cache其中一級。也就是說，任意位址的資料不可能同時在l1和l2 cache中快取。
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