Pamięć jest kluczowym (obok procesora) zasobem systemu komputerowego dla wykonywania programów. Zarządzanie pamięcią jest jednak dość skomplikowane, gdyż jest ona (poszczególne jej części) jednocześnie wykorzystywana przez wiele procesów często różnych użytkowników oraz przez jądro systemu operacyjnego. Stabilność pracy systemu komputerowego wymaga zatem odpowiedniej ochrony przestrzeni użytkowników, a tym bardziej jądra systemu.
Podstawowe zadania, realizowane w ramach zarządzania pamięcią obejmują przydział pamięci i jej odzyskiwanie, ochronę, udostępnianie w celu współdzielenia, transformację adresów oraz transfer danych pomiędzy poszczególnymi poziomami w hierarchii pamięci. Zadania te podzielone są pomiędzy układy sprzętowe na poziomie architektury komputera, a system operacyjny. Ze względu na efektywność realizacji, zadania takie jak ochrona, transformacja i w dużej części transfer danych realizowane są przez odpowiednie układy sprzętowe. Zadanie systemu operacyjnego sprowadza się do dostarczenia odpowiednich danych tym układom. Dane te wynikają z wcześniejszych decyzji o przydziale pamięci, co już należy do kompetencji systemu operacyjnego.
Dodatkowym elementem komplikującym zarządzanie pamięcią jest jej złożona struktura — począwszy od rejestrów procesora, poprzez pamięć podręczną i główną, a skończywszy na pamięci masowej. W hierarchii pamięci na wyższym poziomie znajdują się szybkie układy o niewielkiej pojemności, a w miarę schodzenia niżej zmniejsza się szybkość, a zwiększa pojemność.
Operowanie zawartością pamięci w takiej złożonej, hierarchicznej strukturze oparte jest na tzw. zasadzie okna , zgodnie z którą dane na wyższym (szybszym, ale mniej pojemnym) poziomie stanowią fragment danych, przechowywanych na niższym poziomie.
Zależnie od architektury, procesor adresuje w pamięci bajty, słowa, podwójne słowa itd., a zatem jednostki stosunkowo niewielkie. Takie jednostki obowiązują w transferze pomiędzy rejestrami procesora a pamięcią podręczną lub główną. Pomiędzy niższymi poziomami w hierarchii pamięci transferowane są większe jednostki:
Pamięć postrzegana jest najczęściej jako tablica bajtów, indeksowana przez adresy. Taki jest obraz pamięci zarówno na poziomie architektury komputera, jak i na poziomie systemu operacyjnego, czy też procesu działającego w systemie. Poszczególne komórki pamięci mogą być jednak inaczej identyfikowane na poziomie architektury, a inaczej na poziomie systemu operacyjnego. Te same komórki pamięci mogą być nawet różnie identyfikowane w poszczególnych procesach. Adresy, które identyfikują poszczególne komórki pamięci na poziomie architektury komputera, tworzą fizyczną przestrzeń adresową. Adresy fizyczne przekazywane są szyną adresową magistrali systemowej do układów elektronicznych pamięci. W szczególnym przypadku takimi samymi adresami można się posługiwać na poziomie systemu operacyjnego, ale takie podejście wprowadza sporo ograniczeń, szczególnie uciążliwych w konstrukcji systemów wielozadaniowych. Rozróżnianie przestrzeni fizycznej i logicznej oznacza, że w kontekście procesu komórka pamięci jest inaczej identyfikowana, niż to wynika z jej fizycznego adresu, co wymaga odpowiedniego przekształcenia adres logicznego na fizyczny, zwanego transformacją adresu. Za transformację odpowiada układ ściśle współpracujący z procesorem — jednostka zarządzania pamięcią (ang. memory management unit — MMU).
Adres logiczny służy do identyfikacji komórek pamięci również na poziomie maszynowym procesora, pracującego w kontekście konkretnego procesu. Adresy przechowywane w rejestrach, wykorzystywanych w różnych trybach adresowania (np. rejestrowym pośrednim, bazowym, indeksowym itp.), czy w liczniku programu (zwanym też wskaźnikiem instrukcji), są adresami logicznymi. Procesor rozumiany jest tu jako jednostka funkcjonalna, odpowiedzialna za przetwarzanie. W tym sensie oddzielony jest on od jednostki zarządzania pamięcią, chociaż we współczesnych rozwiązaniach jest z nią strukturalnie zintegrowany. Elementem kontekstu procesu jest zatem również stan jednostki zarządzania pamięcią.
Odwzorowanie adresu logicznego na fizyczny w najprostszym przypadku polega na dodaniu do adresu logicznego, wystawionego przez procesor, pewnej wartości, przechowywanej w rejestrze przemieszczenia w jednostce zarządzania pamięcią. Zawartość komórki pamięci, która w logicznym obrazie procesu zlokalizowana jest pod adresem 25, znajduje się w pamięci fizycznej pod adresem 1049. W ten sposób logiczny obraz procesu można skonstruować, abstrahując od jego fizycznej lokalizacji w pamięci, a przemieszczenie ustalać dopiero w czasie ładowania programu do pamięci lub podczas wykonania.
W systemie wielozadaniowym występuje konieczność ochrony przed zamierzoną lub przypadkową ingerencją jednego procesu w obszar innego procesu lub w obszar jądra systemu operacyjnego. Ochrona jądra systemu operacyjnego wskazana jest również w systemach jednozadaniowych, nie jest jednak elementem krytycznym, gdyż całość zasobów systemu przeznaczona jest na potrzeby jednego przetwarzania. Brak ochrony spowodować może jednak utratę kontroli nad systemem komputerowym w przypadku błędów w programie.
Ochrona pamięci wymaga weryfikacji adresów generowanych przez proces przy każdorazowym odniesieniu do pamięci. W celu weryfikacji adresów w kontekście danego procesu muszą być przechowywane informacje na temat dostępności obszarów pamięci (zakres adresów, tryb dostępu).
Przykład przedstawia mechanizm transformacji uzupełniony o weryfikację poprawności adresu. Uwzględniając fakt, że procesor wystawia adres logiczny, którego naturalnym dolnym ograniczeniem jest 0, wystarczy sprawdzić, czy adres ten nie wykracza poza górny limit, zgodnie z wielkością przydzielonego obszaru. Jeśli adres logiczny jest mniejszy od wartości granicznej jest poprawny i poddawany jest transformacji. W przeciwnym przypadku następuje zgłoszenie przerwania diagnostycznego.