Najbrži pristup memoriji koja se može pohraniti na procesorskoj jedinici računala (CPU) je registar procesora. Arhitektura računala dizajnira procesor koji registrira memorijsku sposobnost u CPU cache tako da se vrijednosti kojima redovito pristupaju računalni procesi mogu tamo pohraniti. Procesi mogu pristupiti i brzo se izvršavati na temelju tih pohranjenih vrijednosti. Budući da su registri procesora pohranjeni na CPU-u, smatraju se vrhom hijerarhije memorije za pohranu, a dodjelu obično određuju varijable. Kada se podaci obrađuju, oni se zatim vraćaju u predmemoriju, memoriju s slučajnim pristupom (RAM) ili pohranu na tvrdom disku.
Računalni procesori imaju registre različitih tipova, prema uputama ili testovima koji rade na njima ili prema njihovom specifičnom sadržaju. Registri podataka, adresa i opće namjene sadrže matematičke vrijednosti i adrese za memorijsku pohranu. Postoje uvjetni registri s vrijednostima istinitosti za logičke operativne upute, konstantni registri s vrijednostima samo za čitanje kao što su pi i nula, te registri posebne namjene koji čuvaju programski brojač, statusni registar i pokazivače stogova za korištenje memorije steka. Kontrolni registri sadrže instrukcije iz skupa instrukcija ugrađenih u arhitekturu procesora; a postoji nekoliko koji dohvaćaju iz RAM-a i sklopova CPU-a koji pristupaju memorijskim međuspremnicima, memorijskim podacima, rasponima tipova memorije i adresama. Varijable koje nisu dodijeljene registru procesora pohranjuju se u RAM i učitavaju i izlaze za operacije čitanja i pisanja, međutim, one imaju sporiju obradu.
Znajući razliku u brzini između obrade u registrima i RAM-u, programeri kompajlerskih računalnih programa obično dizajniraju svoje programe tako da rade što je više moguće u memoriji registra procesora za brz rad funkcija. Za programe kompajlera s pravom na vrijeme, tehnika dodjele registra poznata kao linearna dodjela skeniranja prati operacije registra i brzo oslobađa snagu računanja registra u program. Tehnike dodjele registara pokušavaju dobiti što više programskih varijabli dodijeljenih registrima i to u toku operacije koji maksimizira najmanji broj registara za brzo prevođenje.
Kako su mnogi registri procesora za privremenu pohranu varijabli i skupova instrukcija, sve operacije za korištenje programa mogu se pohraniti za manipulaciju od strane CPU-a. U radu, CPU će prvo potražiti u CPU predmemoriji registara kopiju bilo kojih podataka koji će se obraditi u operacijama čitanja, pisanja ili premještanja, prije nego traži RAM i sekundarnu pohranu na tvrdim diskovima. Od 2011. većina CPU-a drži tri pojedinačna predmemorija. Predmemorije instrukcija bave se izvršavanjem dohvaćanja po instrukciji, međuspremnik nalik prijevodu ubrzava prijevode adresa za virtualne na fizičke adrese, a predmemorija podataka sadrži višerazinsko hijerarhijsko pohranjivanje podataka kojima će manipulirati skup instrukcija registra procesora.