在现有存储体系中,作为外部存储的磁盘已不适应计算机对IO性能越来越高的要求,基于DRAM和SRAM的内存和缓存也面临功耗和容量扩展的问题,存储体系对计算机系统整体性能的制约越来越突出。新型非易失存储器件,在缓存、内存和硬盘层面为计算机存储体系的发展带来了新的契机,但仍然存在诸多缺陷。闪存(NAND FLASH Memory)、自旋矩传输磁存储器(STT-RAM,Spin-Torque Transfer RAM)、相变存储器(PCM,Phase Change Memory)和阻变存储器(RRAM,Resistor RAM)等,相比于DRAM和SRAM等传统存储器,具有更高的集成度、更低的静态功耗和非易失性等优势。STT-RAM能提供比传统SRAM更高的存储密度和更低的静态功耗,却存在写延迟较高的问题。PCM能提供比传统DRAM更高的容量可扩展性,却存在写次数有限、读写性能不一致等问题。基于闪存的固态硬盘(SSD,Solid State Disk)也存在随机写入性能恶化和寿命损耗严重的问题。本文从缓存、内存和固态硬盘三个层面,开展基于新型非易失存储器件的存储体系若干关键技术研究。在CPU缓存层面,提出了一种串并混合架构三值型STT-RAM,设计了其存储单元结构、读取逻辑和写入逻辑,并从理论上证明该三值型STT-RAM与单值型STT-RAM相比存储密度增加。基于这一设计,提出了缓存分级映射方法和不同级别页面交换方法,实现了基于三值型STT-RAM的缓存。仿真表明,与基于单值型和双值型STT-RAM的缓存相比,本文方法在提高缓存容量的同时,提升了性能并降低了能耗。在内存层面,提出了一种基于分页映射的反补机制和耦合读取方法,通过提高相关奇偶页面的命中率,降低对PCM内存的读写操作复杂度并减少存储器写入次数,从而降低双值型PCM的读写延时和能耗。仿真表明,本文方法减少了PCM内存写入次数,降低了访问延时和能耗,提高了性能。在硬盘层面,提出了一种缓存页级映射闪存转换层算法(CP-FTL),该算法共享使用小容量的计算机内存作为页级映射表缓存,并采用高效的缓存更新及替换策略,提高了映射表的缓存命中率,减少了对闪存的访问次数。仿真证明,该算法实现了接近于理想的页级映射表算法的性能。本文还研究了闪存耐久度和固态硬盘寿命评估方法,并以此为基础,提出了一种SSD延寿方法和寿命到期的SSD的再利用方法。