随着大数据时代的来临,需要存储的数据信息越来越多,时代发展的需要给存储设备的容量和性能提出了更高的要求。但是,根据摩尔定律,集成电路的体积和性能的发展即将到达极限,集成电路的发展将会遭遇瓶颈。忆阻,被称为下一代能够取代闪存的非易失性存储介质的理想材料之一,具有SRAM的快速存储速度、DRAM简单的结构、闪存的非易失性的特点、具有比相变存储器更短的开关时间并且能够与CMOS晶体管技术相兼容,这些优势使忆阻成为了具有划时代意义的新型非易失性存储技术。目前,忆阻被广泛地应用于交叉阵列的存储中,为存储设备的发展带来了曙光。论文首先对薄模型TiO2忆阻的物理机制进行深入分析,阐述了忆阻开关机理,主要包括电子的隧穿过程和热电子发射过程。根据忆阻的开关机制,分析并仿真了忆阻的指数模型和阈值模型;然后基于忆阻的物理机理,介绍了忆阻的相关特性,阐述了脉冲信号对忆阻阻值的影响,设计了基于忆阻存储的读、写、擦除电路;为了实现存储容量的提升,论文接着讨论了忆阻交叉阵列结构,分析了影响交叉阵列性能的漏电流问题,设计了一种降低漏电流的存储单元结构。基于忆阻交叉阵列存储的相关特性,本文最后介绍了树形文件管理的相关原理,并对其进行了一定的优化,设计了基于忆阻存储的文件管理树的相关算法,主要包括文件树的创建、搜索、删除、扩展和收缩的算法。通过文件管理树,基于忆阻的存储设备能够高效地对忆阻存储单元的物理地址进行搜索,从而对存储的信息进行有效的读、写、擦除操作。本论文的研究成果包括了基于忆阻的非易失性存储的各方面工作:忆阻的开关机理及模型的研究,基于忆阻存储单元的读、写、擦除电路,忆阻交叉阵列及其漏电流问题分析,交叉阵列中数据的管理机制。这些研究成果为研制基于忆阻的非易失性存储设备提供了理论支持和仿真依据,为忆阻存储的研究提供了一种新的思路。