在现代计算机体系结构中，存储系统日益成为系统性能的瓶颈。基于DRAM的传统主存介质由于其固有的易失性，在内存扩大时会遇到可靠性问题和能耗大问题，已无法适应现代计算机系统日益扩大内存的需求。而基于磁盘的外存系统由于自身机械特性的限制，延迟和带宽性能也已经很难继续提升。近年来，非易失存储器件的发展非常迅速，由于其高性能、非易失性、可随机访问、低功耗等优良特性，已经成为工业界和学术界的重要研究热点。本文以基于磁阻存储器和闪存存储器的非易失存储器作为研究对象，从以下三个方面对非易失存储器展开深入的研究，以期改进主存和外存系统的性能与可靠性。　　首先，为了研究磁阻存储器作为主存时的系统性能，以Everspin Technologies公司生产的磁阻存储器芯片为原型，设计了一种基于磁阻存储器的仿真系统。该仿真系统参数可灵活配置，实现了对磁阻存储器主存系统的读写请求处理过程的模拟，同时设计了多种地址映射策略，为主存系统设计者和研究者提供了有力的设计依据及有效的研究工具。仿真结果表明，不同的地址映射策略和命令队列深度对磁阻存储器主存系统的性能具有较为明显的影响。　　其次，针对磁阻存储器的可靠性问题，提出了一种磁阻存储器读写错误行为模型，研究了磁阻存储器在不同的温度和磁场下的读写错误行为特征，并将错误类型分为两类：温度依赖型和磁场依赖型。设计并开发了一种基于FPGA的硬件原型平台，借助温控箱及磁场设备，设计了磁阻存储器测试方法，对Everspin Technologies公司研制的磁阻存储器芯片进行实验测试，并对磁阻存储器在不同的外界温度和磁场影响下的读写错误行为特征进行定量分析。实验结果表明，磁阻存储器对外界温度和磁场较为敏感；对于温度依赖型错误，读错误是主要的错误类型，临界温度是75℃；而对于磁场依赖型错误，写错误比读错误严重，临界磁场强度是140Gauss。　　最后，针对传统磨损均衡策略采用编程/擦除次数和位错误率作为均衡指标无法准确评估闪存块磨损状态的问题，提出一种基于编程错误率（Program error rate）的磨损均衡策略PER-WL（Program error rate-based wear leveling scheme），其目的是为了有效的提升闪存存储系统的耐久性。PER-WL的核心思想是采用闪存块的编程错误率作为磨损均衡指标，设计编程错误处理器，对闪存块的编程错误率信息进行统计，尽可能的将编程错误率均衡的分布在所有的闪存块。同时，设计了一种数据交换式的块管理方法，可进一步提升磨损均衡效率。实验结果表明，在四种真实的工作负载下，PER-WL磨损均衡策略能有效的提升闪存存储系统的耐久性，其相对于传统的基于编程/擦除次数的动态磨损均衡策略DWL-P/E和基于位错误率的静态磨损均衡策略SWL-BER，分别降低了平均17%、9%的编程错误方差以及平均8%、3%的编程错误率，仅引入了平均5%、2%的性能开销以及较小的存储开销。