Tietokonelaitteistoa, joka vastaa tietokoneen muistijärjestelmän hallinnasta, kutsutaan muistinhallintayksiköksi (MMU). Tämä komponentti toimii puskurina suorittimen ja järjestelmämuistin välillä. Muistinhallintayksikön suorittamat toiminnot voidaan tyypillisesti jakaa kolmeen osaan: laitteistomuistin hallinta, käyttöjärjestelmän muistinhallinta ja sovellusmuistin hallinta. Vaikka muistinhallintayksikkö voi olla erillinen sirukomponentti, se on yleensä integroitu keskusyksikköön (CPU).
Yleensä muistinhallintaan liittyvä laitteisto sisältää hajamuistin (RAM) ja muistivälimuistit. RAM on fyysinen tallennustila, joka sijaitsee kiintolevyllä. Se on tietokoneen tärkein tallennusalue, jossa tietoja luetaan ja kirjoitetaan. Muistivälimuistia käytetään tiettyjen tietojen kopioiden tallentamiseen päämuistista. Suoritin käyttää näitä tietoja välimuistissa, mikä nopeuttaa käsittelyaikaa.
Kun fyysinen muisti tai RAM -muisti loppuu, tietokone käyttää automaattisesti kiintolevyn virtuaalimuistia pyydetyn ohjelman suorittamiseen. Muistinhallintayksikkö jakaa muistin käyttöjärjestelmästä eri sovelluksiin. Virtuaalinen osoitealue, joka sijaitsee keskusyksikössä, koostuu useista sivuille jaetuista osoitteista. Sivut ovat toissijaisia tallennuslohkoja, jotka ovat kooltaan yhtä suuria. Automaattinen hakuprosessi mahdollistaa käyttöjärjestelmän hyödyntää kiintolevylle hajallaan olevaa tallennustilaa.
Sen sijaan, että käyttäjä saa virheilmoituksen siitä, että muistia ei ole tarpeeksi, MMU kehottaa järjestelmää automaattisesti rakentamaan tarpeeksi virtuaalimuistia sovelluksen suorittamiseksi. Viereinen virtuaalimuistitila luodaan samankokoisten virtuaalimuistilohkojen joukosta sovelluksen suorittamista varten. Tämä ominaisuus on tärkeä avain, jotta tämä prosessi toimisi tehokkaasti ja tehokkaasti, koska järjestelmän ei tarvitse luoda yhtä virtuaalimuistin osaa ohjelman vaatimusten käsittelemiseksi. Eri kokoisten muistitilojen luominen erikokoisille ohjelmille mahtuu aiheuttamaan pirstoutumisongelman. Tämä voi johtaa siihen, että vapaata tilaa ei ole tarpeeksi suurille ohjelmille, kun käytettävissä oleva kokonaistila riittää.
Sovelluksen muistinhallinta sisältää ohjelman suorittamiseen tarvittavan muistin varaamisen käytettävissä olevista muistiresursseista. Suuremmissa käyttöjärjestelmissä voi olla käynnissä useita saman sovelluksen kopioita. Muistinhallintayksikkö antaa usein sovellukselle sen tarpeisiin parhaiten sopivan muistiosoitteen. Näille ohjelmille on yksinkertaisempaa antaa samat osoitteet. Lisäksi muistinhallintayksikkö voi jakaa muistiresursseja ohjelmille tarpeen mukaan. Kun toiminto on valmis, muisti kierrätetään käytettäväksi muualla.
Yksi muistinhallintayksikön suurimmista haasteista on havaita, milloin tietoja ei enää tarvita ja ne voidaan hylätä. Tämä vapauttaa muistia käytettäväksi muissa prosesseissa. Automaattisesta ja manuaalisesta muistinhallinnasta on tullut erillinen oppiala tämän ongelman vuoksi. Tehoton muistinhallinta on suuri ongelma tietokonejärjestelmien optimaalisen suorituskyvyn suhteen.