目前，传统CMOS工艺已经接近发展的极限，依靠缩小器件尺寸提高存储器容量和密度的方法在可以预见的未来将变得不可行。同时，由于处理器和存储器之间的性能差距越来越大，计算机体系结构的发展正受困于“存储墙”问题。忆阻器是一种新型使能器件，它具备作为存储器件的优异特性，并具有融合计算和存储的能力。基于忆阻器的存储技术有望成为新一代存储技术。它将为缓解甚至解决存储墙问题提供可行的思路，值得进行深入研究。本文从忆阻器所具有的融合计算和存储的特性出发，研究面向关系数据库的存储体系结构。本文的研究按自顶向下的逻辑展开，首先提出了“数据Home自治”模型，并在该模型指导下设计了面向关系数据的存储体系结构；其次提出了基于忆阻器存储体系结构的比较逻辑设计和实现，包括等值比较和数值比较的原理、电路和实现步骤；然后提出了对单极性忆阻器和多值忆阻器进行SPICE建模的方法，建立了两种单极性忆阻器模型和一种多值忆阻器模型；最后通过HSPICE模拟和分析实验，验证了本文提出的结构、方法和模型的正确性和可行性。本研究主要内容包括：　　⑴提出了基于忆阻器的“数据Home自治”模型。该模型抽象了忆阻器具有的运算和存储融合的特性，定义了忆阻存储器具有的通过自我管理实现预定的操作和服务的能力。本文将“数据Home自治”模型用于指导基于忆阻器的数据存储体系结构设计，首次设计了面向关系数据库的存储体系结构。具体包括总体存储层次设计、DBMS体系结构设计、查询步骤设计、以及忆阻存储器结构设计。其中，忆阻存储器结构设计又包括总体结构设计、功能部件设计和忆阻Tile结构设计。同时，本文首次设计了关系数据库基本查询操作在忆阻存储器中的实现方法。本文提出的面向关系数据库的存储体系结构可以直接在忆阻存储器内部执行关系数据库的基本查询操作。和传统数据库体系结构相比，本文提出的存储体系结构可以显著减少特定查询操作的访存开销，从而有望大大提高关系数据库的性能。　　⑵归纳了基于忆阻器交叉杆的基本状态逻辑和扩展状态逻辑，精确分析了状态逻辑存在的阻值漂移等问题，并提出了相应的解决办法。本文首次提出了四种状态逻辑操作序列的优化方法，包括基本状态逻辑优化选择、数据互补存储、子操作隔离和扩展状态逻辑优化选择。基于所提出的状态逻辑操作序列优化方法，本文首次设计了用于忆阻存储器中关系查询操作的N位等值比较逻辑，并基于等值比较逻辑设计了N位数值比较逻辑。等值比较逻辑的实现分为通用等值比较逻辑实现和专用等值比较逻辑实现。通用等值比较逻辑既可以用于忆阻存储器中的查询操作，也可以用于等值比较器，而专用等值比较逻辑用于高效实现查询操作中的等值比较。本文设计的等值比较是一种并行比较方式，比较过程的和数据位的长度无关。而数值比较逻辑采用串行的比较方法，比较过程和数据位的长度有关。　　⑶根据忆阻值vs.状态图对单极性忆阻器进行建模，建立了磁通控制单极性忆阻器模型。建模过程中，我们首先推导单极性忆阻器件的忆阻值vs.状态图表达式，然后给出模型的SPICE电路结构以及实现程序。为了改进磁通控制单极性忆阻器模型，我们根据忆阻系统方程组对单极性忆阻器件进行建模，建立了电压控制单极性忆阻器模型。建模过程中，我们首先基于忆阻系统方程推导了单极性忆阻系统方程组，并提出了两个阻值切换速度函数来分别控制SET过程和RESET过程中的阻值切换行为。本文采用和磁通控制单极性忆阻器相同的建模方法，根据忆阻值vs.状态图对多值忆阻器进行建模，建立了磁通/电量控制多值忆阻器模型。建模过程中，我们首先推导多值忆阻器的忆阻值vs.状态图表达式，然后给出模型的SPICE电路结构以及实现程序。　　⑷在HSPICE模拟器中对单极性和多值忆阻器进行了模拟，验证所提出的三种模型的正确性。通过和已有的单极性忆阻器模型对比表明，本文提出的电压控制单极性忆阻器模型是目前综合性能最优的单极性忆阻器模型。本文通过SPICE模拟验证了状态逻辑所存在的阻值漂移问题的存在性。本文首次通过SPICE模拟，实现了对忆阻器交叉杆中两个4位数据的等值比较和数值比较。在两个数据的所有取值情况下，比较结果都正确，从而验证本文提出的通用/专用等值比较逻辑和数值比较逻辑的正确性。本文首次建立了忆阻存储器的性能模型，分析了各个查询操作的复杂性，并通过提取忆阻器参数进行理论分析的方法，研究了三类查询操作在忆阻存储器中实现的优缺点，并与磁盘数据库进行了性能对比，验证了本文提出的面向关系数据库的存储体系结构在加速关系查询方面所具有的优势。