Η καθολική μηχανή Turing είναι μια υποθετική συσκευή, η οποία χειρίζεται σύμβολα σύμφωνα με ένα σύνολο κανόνων και μπορεί να προσομοιάζει τη λογική οποιουδήποτε αλγόριθμου. Θεωρητικά μπορεί να υπολογίσει ό,τι είναι δυνατόν να υπολογιστεί αλγοριθμικά. Προτάθηκε το 1936, ως μια «λογική υπολογιστική καθολική μηχανή», από τον Alan Turing, βρετανό μαθηματικό, κρυπτογράφο και καθηγητή Λογικής, στην έκθεσή του «Ευφυή καθολική μηχανήματα».

Όλα τα αναφερόμενα ως δομικά στοιχεία των υπολογιστών έχουν ένα χαρακτηριστικό: λειτουργούν ως διακόπτες. Όπως είναι γνωστό, διακόπτης είναι μια διάταξη που υποστηρίζει δύο καταστάσεις λειτουργίας, μια όταν είναι κλειστός και μια όταν είναι ανοιχτός. Στην πρώτη περίπτωση δεν επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος ανάμεσα στους ακροδέκτες του, ενώ στη δεύτερη την επιτρέπει. Οι καταστάσεις αυτές αντιστοιχούν στα ψηφία 0 και 1 του δυαδικού συστήματος, άρα και της άλγεβρας Boole (Boolean Algebra), η οποία είναι θεμελιώδους σημασίας για την πληροφορική. Η κατάσταση ενός διακόπτη αλλάζει με την αλλαγή της απόστασης μεταξύ των επαφών του. Στην περίπτωση αυτή η μια επαφή μένει σταθερή στη θέση της, ενώ η άλλη μετακινείται μηχανικά (μηχανικός-χειροκίνητος διακόπτης). Εναλλακτικά, η κατάσταση του διακόπτη μπορεί να αλλάξει μεταβάλλοντας την αγωγιμότητα μεταξύ των ακροδεκτών του (αυτόματος-ηλεκτρονικός διακόπτης). Αυτό επιτυγχάνεται εύκολα με μία λυχνία ή με ένα τρανζίστορ, τα οποία μπορεί, ανάλογα με την τάση πόλωσης, μπορούν να ρυθμίζουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος που απορροφούν από μια συνδεδεμένη πηγή τάσης.

Τα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρονικών λυχνιών κενού είναι ο μεγάλος όγκος, η υψηλή κατανάλωση ενέργειας, η παραγωγή σημαντικής ποσότητας θερμότητας, άρα και υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας, ο μικρός σχετικά χρόνος ζωής και η μικρή ταχύτητα εναλλαγής από την κατάσταση 0 στην κατάσταση 1, και αντίστροφα. Έτσι, οι πρώτοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές που βασίστηκαν σε λυχνίες κενού ήταν αργοί, ογκώδεις, κατανάλωναν σημαντικές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας και ανέπτυσσαν υψηλές θερμοκρασίες, ενώ συχνά έβγαιναν εκτός λειτουργίας λόγω βλαβών. Τα τρανζίστορ, ως δομικά στοιχεία των υπολογιστών, έλυσαν τα παραπάνω προβλήματα, καθώς είναι ημιαγωγικά στοιχεία, και γι’ αυτό έχουν μικρέςδιαστάσεις, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, χαμηλή παραγωγή θερμότητας, υψηλή ταχύτητα εναλλαγής κατάστασης και υψηλή αξιοπιστία λειτουργίας τους.

Η τεχνική του πολυπρογραμματισμού εξασφαλίζει τη συνεχή χρήση της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας (ΚΜΕ), μοιράζοντας το χρόνο της σε περισσότερες από μία εργασίες χρηστών που ζητούν εξυπηρέτηση από το υπολογιστικό σύστημα. Κάθε εργασία καταλαμβάνει ξεχωριστό τμήμα της μνήμης και μπορεί να εξυπηρετηθεί από την ΚΜΕ ενόσω κάποια άλλη εργασία εκτελεί εντολή εισόδου / εξόδου. Ο χρονομερισμός είναι μια παραλλαγή του πολυπρογραμματισμού, στην οποία κάθε χρήστης διαθέτει τερματικό συνδεδεμένο στο σύστημα και καταλαμβάνει εκ περιτροπής την KME του συστήματος.

● Πρώτη γενιά, 1945-1955: Υπολογιστές βασισμένοι σε λυχνίες κενού. Οι πρώτοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές χρησιμοποιούσαν ως διακόπτη την ηλεκτρονική λυχνία κενού. Είχαν μεγάλο όγκο, κατανάλωναν μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας, παρήγαγαν πολλή θερμότητα και εμφάνιζαν συχνές βλάβες. Επιπλέον, ο προγραμματισμός τους γινόταν με τη χρήση πίνακα συνδέσεων. Λειτουργικό σύστημα δεν υπήρχε. Οι υπολογιστές αυτοί ήταν διαθέσιμοι μόνο σε κρατικούς οργανισμούς, για στρατιωτικές ή μετεωρολογικές εφαρμογές.

● Δεύτερη γενιά, 1955-1965: Υπολογιστές βασισμένοι σε τρανζίστορ. Οι υπολογιστές αυτοί χρησιμοποιούσαν ως διακοπτικό στοιχείο το τρανζίστορ. Ήταν σχετικά μικροί σε μέγεθος και αξιόπιστοι. Στα μέσα της δεκαετίας του 1950 πωλούνταν ως εμπορικό προϊόν. Ωστόσο, εξαιτίας του υψηλού κόστους για την απόκτηση και τη λειτουργία τους, μπορούσαν να τους αγοράσουν μόνο μεγάλες επιχειρήσεις, κρατικοί οργανισμοί και πανεπιστήμια. Η μαζική παραγωγή υπολογιστών επέφερε διαχωρισμό των ρόλων ανάμεσα στους σχεδιαστές, τους κατασκευαστές, τους χειριστές, τους προγραμματιστές και τους συντηρητές τους. Ο προγραμματισμός τους γινόταν σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού ή στη συμβολική γλώσσα προγραμματισμού Assembly.

● Τρίτη γενιά, 1965-1980: Υπολογιστές βασισμένοι σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Οι υπολογιστές αυτοί αποτέλεσαν την πρώτη μορφή υπολογιστή με δομικά στοιχεία ανάλογα των σημερινών υπολογιστών. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα άρχισαν να παράγονται μαζικά και να περιέχουν εκατομμύρια διακόπτες (τρανζίστορ), καθιστώντας τους υπολογιστές μικρότερους σε όγκο, ισχυρότερους ως προς την υπολογιστική ισχύ τους, αλλά και πολύ φθηνότερους. Τα λειτουργικά συστήματα έγιναν πιο ισχυρά και υλοποιούσαν τις τεχνικές του πολυπρογραμματισμού, της παροχέτευσης και του χρονομερισμού. Οι υπολογιστές έγιναν πλέον απαραίτητο εργαλείο σε πανεπιστήμια, μεγάλες επιχειρήσεις, τράπεζες και οργανισμούς.

● Τέταρτη γενιά, 1980-σήμερα: Προσωπικοί υπολογιστές και δικτύωση. Βασικά στοιχεία αυτής της γενιάς είναι η δυνατότητα επικοινωνίας του υπολογιστή με άλλους υπολογιστές και η επέκτασή του σε κάθε τομέα της ανθρώπινης δραστηριότητας. Αυτό συντελέστηκε με την παράλληλη εκρηκτική εξέλιξη τόσο του υλικού, όσο και του λογισμικού. Η αρθρωτή σχεδίαση των υπολογιστών επέτρεψε την τυποποίησή τους, τη μείωση του κόστους τους, την ευελιξία στο σχεδιασμό τους και την άριστη προσαρμογή στις απαιτήσεις των χρηστών, με αποτέλεσμα τη ραγδαία εξάπλωση της χρήσης τους. Σε αυτό συνέβαλε επίσης καθοριστικά η εγγενής πλέον δυνατότητα των υπολογιστών να ανταλλάσσουν πληροφορίες μέσω του διαδικτύου.

Τα βασικά συστατικά (υποσυστήματα) ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή είναι τρία:

● η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ), στην οποία εκτελούνται οι αριθμητικές και λογικές πράξεις που περιγράφει το λογισμικό, ενώ ελέγχεται και η λειτουργία του υπολογιστή,

● η μνήμη, στην οποία αποθηκεύονται τα λογισμικά (λειτουργικό και εφαρμογών), καθώς και τα δεδομένα που επεξεργάζονται οι εφαρμογές, και

● οι συσκευές εισόδου / εξόδου, που υλοποιούν την επικοινωνία του υπολογιστή με το εξωτερικό περιβάλλον.

Ο νόμος του Moore αναφέρεται στο πλήθος των τρανζίστορ σε έναν μικροεπεξεργαστή και περιλαμβάνει την πρόβλεψη ότι ο αριθμός τους σε έναν μικροεπεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε δεκαοκτώ μήνες. Η πρόβλεψη αυτή διατυπώθηκε το 1965 και επαληθεύτηκε τα επόμενα χρόνια.

Ψηφιοποίηση είναι η διαδικασία μετατροπής αντικείμενων αναλογικής μορφής, όπως εγγράφων, εικόνων, ήχων, βίντεο και άλλων, σε ψηφιακή μορφή. Η αλλαγή της μορφής της πληροφορίας (από αναλογική σε ψηφιακή) είναι θεμελιώδους σημασίας, επειδή η ψηφιακή μορφή επιτρέπει την εύκολη μετάδοση, αποθήκευση και επεξεργασία της πληροφορίας. Επιπλέον, εξασφαλίζει την εξοικονόμηση φυσικού χώρου, καθώς και την προστασία των πρωτότυπων τεκμηρίων. Η ψηφιοποίηση γίνεται με κατάλληλες συσκευές, όπως ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, σαρωτές και μετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό (Analog to Digital Converter).

Η αρθρωτή σχεδίαση (Modular Design) είναι το βασικό χαρακτηριστικό της σχεδίασης υπολογιστικών συστημάτων, που οδήγησε στην ευρύτατη εξάπλωση των υπολογιστών, επειδή επιτρέπει την τυποποίησή τους, τη μείωση του κόστους τους, την ευελιξία στο σχεδιασμό τους και την άριστη προσαρμογή τους στις απαιτήσεις των χρηστών.

H ψηφιοποιημένη πληροφορία είναι ένας μορφότυπος (Format), που απεικονίζει κάθε είδους πληροφορία (κείμενο, εικόνα, ήχο, βίντεο) σε ψηφιακή μορφή, δηλαδή σε ακολουθία δυαδικών ψηφίων. Προσφέρει ευκολότερη επεξεργασία, αναπαραγωγή, μετάδοση μέσω δικτύων και εξ αποστάσεως προσπέλαση της πληροφορίας, αλλά επίσης συντελεί στην εξοικονόμηση φυσικού χώρου, καθώς και στην προστασία των πρωτότυπων τεκμηρίων. Η ψηφιοποιημένη πληροφορία αποτελεί το πιο σημαντικό συστατικό στοιχείο ενός νέου μοντέλου κοινωνικής και οικονομικής οργάνωσης βασισμένου στη χρήση των ΤΠΕ, επειδή καθιστά εύκολα προσπελάσιμη την πληροφορία μέσω των δικτύων δεδομένων.

Το Ίντερνετ των Πραγμάτων αποτελείται από δισεκατομμύρια αντικείμενα, τα οποία διαθέτουν μία μοναδική ταυτότητα και έχουν την ικανότητα να καταγράφουν, να μεταδίδουν και να λαμβάνουν δεδομένα μέσω του διαδικτύου χωρίς την ανθρώπινη παρέμβαση. Η εταιρεία Cisco προβλέπει ότι περισσότερα από 50 δισεκατομμύρια αντικείμενα θα είναι διασυνδεμένα online παγκοσμίως έως το 2020.