W dotychczas rozważanych aspektach istniało domniemanie, że obraz procesu zajmuje ciągły obszar pamięci fizycznej. Ewentualne odwzorowanie obrazu logicznego na fizyczny polegało na dodaniu do adresu logicznego przemieszczenia, wynikającego z przesunięcia początku obszaru pamięci procesu względem początku pamięci fizycznej.
Obraz procesu można jednak podzielić na odrębne części i dla każdej części zdefiniować odwzorowanie. Jednym z tego typu podejść jest stronicowanie (ang. paging), w którym obraz procesu oraz pamięć fizyczna dzielone są na równe obszary o ustalonej wielkości zwane stronami (ang. pages). W celu odróżnienia stron z obrazem procesu od stron pamięci fizycznej te ostatnie nazywa się ramkami (ang. frames).
Strony i tym samym ramki mają współcześnie rozmiar od kilku do kilkudziesięciu kilobajtów, są więc stosunkowo niewielkie w stosunku do rozmiary obrazu procesu, czy dostępnej pamięci fizycznej. Stronicowanie jest więc pewną formą podziału stałego, jednak obraz procesu może zająć kilka jednostek, wynikających z tego podziału. Procesowi można przydzielić ramki rozmieszczone w dowolnym miejscu dostępnego obszaru pamięci fizycznej (nie muszą to być kolejne, sąsiadujące ze sobą jednostki). W ten sposób kosztem pewniej fragmentacji wewnętrznej rozwiązuje się problem fragmentacji zewnętrznej.
Mniej znaczące bity w adresie logicznym traktowane są jako przesunięcie wewnątrz strony (tym samym ramki), podczas gdy pozostałe (bardziej znaczące) bity wyznaczają numer strony. W przedstawionym przykładzie adresu logicznego na przesunięcie przeznaczono 10 bitów, co oznacza, że rozmiar strony/ramki wynosi 210 = 1 KB.
Każda strona ma ustalony numer ramki. Informacja o numerach ramek dla poszczególnych stron znajduje się w tablicy stron. Tablica stron zlokalizowana jest w pamięci fizycznej i musi być dostępna dla jednostki zarządzania pamięcią, której zadanie w ramach transformacji adresu sprowadza się do zastąpienia numeru strony w adresie logicznym numerem ramki.
W systemach wielozadaniowych każdy proces ma własną tablicę stron, której adres zlokalizowany jest w odpowiednim rejestrze jednostki zarządzania pamięci i podlega zmianie przy przełączaniu kontekstu.
Po wystawieniu adresu logicznego przez procesor jednostka zarządzania pamięcią identyfikuje numer strony i traktując go jako indeks w tablicy stron, lokalizuje odpowiedni wpis. Następnie zamienia numer strony w adresie logicznym na odczytany numer ramki, przesunięcie pozostawiając bez zmian i wystawia taki adres na magistrali systemowej.
Przykład pokazuje sens stronicowania. W obrazie logicznym (po lewej) pod adresami do 0 do 11 znajdują się kody kolejnych znaków (liter alfabetu). W obrazie fizycznym kolejność jest zupełnie inna, a dane nie zajmują nawet ciągłego obszaru. Przykład adresowania litery g obrazuje transformację. Adres logiczny 6 (dziesiętnie) po zastąpieniu dwóch bardziej znaczących bitów (wartości 1) zgodnie z zawartością tablicy stron na pozycji 1 zamieniany jest na 10 (dziesiętnie).
Przykład ma charakter poglądowy, dlatego rozmiar strony wynosi zaledwie 4 bajty. W żadnym rzeczywistym rozwiązaniu nie jest to tak mała jednostka.
Transformacja adresu wymaga dodatkowego dostępu do pamięci w celu pobrania informacji o stronie z tablicy stron. Czas dostępu do właściwej zawartości (kod rozkazu, operandów) wydłuża się więc dwukrotnie. W celu zredukowania dodatkowego obciążenia czasowego stosowana jest pamięć asocjacyjna, zwana buforami TLB (ang. translation look-aside buffer), w której przechowywane są ostatnio pobrane wpisy z tablicy stron. Kluczem, na podstawie którego lokalizowana jest pozycja w buforze TLB, jest numer strony, a wartością na wyjściu jest numer ramki. Jeśli wpis o danym kluczu nie zostanie znaleziony w buforze TLB, następuje normalne odwołanie do tablicy stron, przy czym wpis przenoszony jest do bufor TLB. Wykorzystywana jest tutaj właściwość programów, zwana lokalnością odniesień do pamięci.
Przedstawiony wcześniej przykładowy podział 32-bitowego adresu logicznego na 10-bitowe przesunięcie oraz 22 bitowy numer strony oznaczałby, że potencjalnie może być potrzebnym 222 wpisów w tablicy stron. Zakładając, że każdy wpis wymaga 32 bitów (4 bajtów), na tablicę stron potrzebny byłby ciągły obszar pamięci fizycznej o rozmiarze 224 = 16 MB. Znalezienie tak dużego ciągłego obszaru może być kłopotliwe, a rozwiązaniem problemu może być zastosowanie podejścia wielopoziomowego, zwanego również hierarchicznym. W podejściu dwupoziomowym w adresie logicznym wyodrębnia się 3 zakresy bitów:
Podejście takie zastosowano między innymi w architekturze Intel IA-32. Zewnętrzną tablicę stron określa się jako katalog stron, a wewnętrzną po prostu jako tablicę stron. Na identyfikację pozycji w katalogu stron oraz w tablicy stron przeznaczone jest po 10 bitów z 32-bitowego adresu. Na przesunięcie na stronie pozostaje zatem 12 bitów, co oznacza, że rozmiar strony wynosi 4 KB. W architekturze Sparc zastosowano nawet podeście trzypoziomowe.
Podstawą stronicowania jest stały podział pamięci. Segmentacja (ang. segmentation) oparta jest z kolei na podziale dynamicznym. Obraz procesu dzielony jest na logiczne części, odpowiadające poszczególnym sekcjom programu — sekcji kodu, danych, stosu itp. Dla każdej sekcji definiowany jest odpowiedni segment. Na potrzeby segmentu przydzielane są dynamiczne partycje w pamięci. Segmenty danego procesu mogą być dowolnie rozmieszczone w pamięci, ale każdy segment zajmuje ciągły obszar pamięci.
Segment, przeznaczony na określoną sekcję programu, może mieć zróżnicowany rozmiar i zawartość, a także dowolne położenie w pamięci fizycznej. Dlatego opis segmentu (deskryptor) obejmuje takie dane, jak:
Strona miała rozmiar dokładnie dostosowany do przesunięcia, nie było więc ryzyka operowania przesunięciem naruszającym rozmiar strony. Dla segmentu rozmiar jest jednym z atrybutów niezależnych od przesunięcia. Możliwy jest zatem przypadek użycie przesunięcia, wykraczającego poza rozmiar segmentu. Taki przypadek musi być oczywiście wykryty i zasygnalizowany przez odpowiednie przerwanie diagnostyczne. Stosownie do atrybutów segmentu weryfikowany może być również cykl maszynowy oraz poziom (pierścień) ochrony.
Po poprawnej weryfikacji przesunięcie dodawane jest do adresu bazowego segmentu i powstaje adres fizyczny, wystawiany na magistrali systemowej.
W przeciwieństwie do stron, segmenty mogą mieć dość duży rozmiar, a więc znalezienie dla nich ciągłego obszaru pamięci fizycznej może być kłopotliwe. Chociaż możliwa jest relokacja segmentu, operacja może być czasochłonna. Zalety segmentacji i stronicowania można jednak połączyć, stosując obie techniki. Pamięć w takim podejściu postrzegana jest jako zbiór segmentów, które składają się z ramek. Przesunięcie wewnątrz segmentu traktowana jest jako adres w pamięci stronicowanej, czyli adres składający się z numeru strony oraz przesunięcia wewnątrz strony. Zamiast adresu bazowego segmentu w deskryptorze znajduje się adres tablicy stron danego segmentu, za pośrednictwem której ustalany jest numer ramki.
Nie jest to jedyny sposób transformacji adresu. W architekturze IA-32 (począwszy już od procesora 80386) zastosowano podejście, w którym każdy adres poddawany jest transformacji zgodnie z zasadą segmentacji, w wyniku czego powstaje adres liniowy. Jeśli procesor pracuje w trybie z pamięcią stronicowaną, adres liniowy poddawany jest dalszej transformacji, właściwej dla stronicowania dwupoziomowego.
Współdzielenie pamięci można zrealizować w sensowny sposób dopiero wówczas, gdy określony fragment logicznej przestrzeni adresowej można odwzorować na współdzielony fragment pamięci niezależnie od pozostałej części przestrzeni logicznej. Zarówno stronicowanie, jak i segmentacja udostępniają środki do takiego odwzorowania, gdyż wpisy w odpowiednich tablicach (stron lub segmentów) poszczególnych procesów mogą się odnosić do tego samego obszaru pamięci fizycznej. Weryfikacja poprawności odwołania, związana z ochroną, może być przeprowadzona na poziomie adresów logicznych.