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存储器是存放二进制形式信息的部件。在计算机中它的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。不论是程序和数据，在存储器中都以二进制形式的“1”或“0”表示，统称为信息。我们可以对存储器中的内容进行读或写操作。
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（1）高速缓冲存储器（Cache）。目前由双极型半导体组成，构成计算机系统中的一个高速小容量存储器。其存取速度能接近CPU的工作速度，用来临时存放指令和数据。
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（2）主存储器。主存储器是计算机系统中的重要部件，用来存放计算机运行时的大量程序和数据，主存储器目前一般用MOS半导体存储器构成。
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CPU能够直接访问的存储器称内存储器，高速缓存和主存都是内存储器。在配置了高速缓存的计算机内，主存储器和高速缓存之间要不断交换数据。
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如果计算机没有配置高速缓存，内存储器就是主存储器，两个名称可以换用。
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（3）辅助存储器。辅助存储器又称外存储器。外存储器主要由磁表面存储器组成，近年来，光存储器应用已很广泛，渐渐成为一种重要的辅助存储器。外存储器的内容需要调入主存后才能被CPU访问。外存储器的特点是容量大，所以可存放大量的程序和数据。
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采用单一工艺制造的存储器很难同时满足大容量、高速度和低成本的要求。比如双极型半导体存储器的存取速度快，但是难以构成大容量存储器。而大容量、低成本的磁表面存储器的存取速度又远低于半导体存储器，并且难以实现随机存取。
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所谓存储系统的层次结构就是把各种不同容量和不同存取速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起，程序和数据按不同的层次存放在各级存储器中，而整个存储系统具有较好的速度、容量和价格等方面的综合性能指标。
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下图是存储系统层次结构示意图，该系统由三类存储器构成。主存和辅存构成一个层次，高速缓存和主存构成另一个层次。
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这个层次主要解决存储器的速度问题。在早期的计算机中，CPU与主存在速度上非常接近。例如IBM704计算机的CPU周期为12μs，其主存的存取周期也为12μs，随着所采用的器件和工艺的改进，CPU的速度提高很快，目前CPU的机器周期可达几个毫微秒甚至更短，而主存的存取周期则由于种种因素的限制，只能达到几十甚至几百毫微秒。因而CPU和主存之间在速度上存在一定差距，主存的工作速度限制了整机运行速度的提高。为了减少两者速度差别所造成的影响，首先在CPU内设置通用寄存器组，尽量减少CPU对内存的访问。然而，CPU寄存器数目不可能太多（一般只有几个或几十个），要根本解决存储器的速度问题，需要在CPU与主存之间再增设一级存储器，称为高速缓冲存储器。
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这个层次主要解决存储器的容量问题。在一段时间内，中央处理器运行的程序和使用的数据只是整个存储系统存储信息的一小部分，这部分程序和数据处于“活动”的状态，而其他大部分程序和数据则处于暂时不被使用的“静止”状态，因此可以把正在被CPU使用的“活动”的程序和数据放在主存中，其余信息则存放在容量大、但速度较慢的辅存中。当某时刻CPU需要用到存放在辅存中的某些信息时，可通过有关的I/O操作将这部分信息从辅存中调往主存。反之，原存放在主存中而现在暂时不用的部分信息也可以从主存中调往辅存，以备后用。这样，程序仍能得到较快的执行速度，而主存容量不足这一缺陷则由辅存的大容量来弥补。因此，具有“主存—辅存”层次的存储系统是一个既具有主存的存取速度又具有辅存的大容量低成本特点的一个存储器总体。
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除了CPU，内存也是影响系统性能的最常见的瓶颈之一。看系统内存是否够用的一个重要参考就是分页文件的数目，分页文件是硬盘上的真实文件，当操作系统缺少物理内存时，它就会把内存中的数据挪到分页文件中去，如果单位时间内此类文件使用频繁（每秒个数大于5）,那就应该考虑增加内存。具体考察内存的性能的参数包括内存利用率、物理内存和虚拟内存的大小。
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在前面介绍的各种存储管理方式中，必须为作业分配足够的存储空间，以装入有关作业的全部信息，当然作业的大小不能超出主存的可用空间，否则这个作业是无法运行的。但当把有关作业的全部信息都装入主存储器后，作业执行时实际上不是同时使用全部信息的，有些部分运行一遍便再也不用，甚至有些部分在作业执行的整个过程中都不会被使用到（如错误处理部分）。进程在运行时不用的，或暂时不用的，或某种条件下才用的程序和数据，全部驻留于内存中是对宝贵的主存资源的一种浪费，大大降低了主存利用率。于是，提出了这样的问题：作业提交时，先全部进入辅助存储器，作业投入运行时，能否不把作业的全部信息同时装入主存储器，而是将其中当前使用部分先装入主存储器，其余暂时不用的部分先存放在作为主存扩充的辅助存储器中，待用到这些信息时，再由系统自动把它们装入到主存储器中，这就是虚拟存储器的基本思路。如果“部分装入、部分对换”这个问题能解决的话，那么当主存空间小于作业需要量时，这个作业也能执行；更进一步，多个作业存储总量超出主存总容量时，也可以把它们全部装入主存，实现多道程序运行。这样，不仅使主存空间能充分地被利用，而且用户编制程序时可以不必考虑主存储器的实际容量，允许用户的逻辑地址空间大于主存储器的绝对地址空间。对于用户来说，好像计算机系统具有一个容量很大的主存储器，把它称做为“虚拟存储器”（Virtual Memory）。
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对虚拟存储器的定义如下：具有部分装入和部分对换功能，能从逻辑上对内存容量进行大幅度扩充，使用方便的一种存储器系统。实际上是为扩大主存而采用的一种设计技巧。虚拟存储器的容量与主存大小无关。虚拟存储器的实现对用户来说是感觉不到的，他们总以为有足够的主存空间可容纳他的作业。
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