电子计算机（Computer）亦称电脑，是利用模拟或者数字电子技术，根据一系列指令指示并且自动执行任意算术或逻辑操作串行的设备。通用计算机因有能遵循被称为“程序”的一般操作集的能力而使得它们能够执行极其广泛的任务。

计算机被用作各种工业和娱乐设备的控制系统。这包括简单的特定用途设备（如微波炉和遥控器）、工业设备（如工业机器人和集成电路），及通用设备（如个人电脑和智能手机之类的移动设备）等。尽管计算机种类繁多，但根据图灵机理论，一部具有着基本功能的计算机，应当能够完成任何其它计算机能做的事情。因此，理论上从智能手机到超级计算机都应该可以完成同样的作业（不考虑时间和存储因素）。由于科技的飞速进步，下一代计算机总是在性能上能够显著地超过其前一代，这一现象有时被称作“摩尔定律”。通过互联网，计算机互相连接，极大地提高了信息交换速度，反过来推动了科技的发展。在21世纪的现在，计算机的应用已经涉及到方方面面，各行各业了。

自古以来，简单的手动设备——就像算盘——帮助人们进行计算。在工业革命初期，各式各样机械的出现，初衷都是为了自动完成冗长而乏味的任务，例如织机的编织图案。更复杂的机器在20世纪初出现，通过模拟电路进行复杂特定的计算。第一台数字电子计算机出现于第二次世界大战期间。自那时以来，电脑的速度，功耗和多功能性则不断增加。在现代，机械计算机的应用已经完全被电子计算机所取代。

计算机在组成上形式不一。依然有大量体积庞大的巨型计算机为特别的科学计算或面向大型组织的事务处理需求服务。比较小的、为个人应用而设计的称为微型计算机（Personal Computer，PC），在中国大陆简称为“微机”。今天在日常使用“计算机”一词时通常也是指此，不过现在计算机最为普遍的应用形式却是嵌入式，嵌入式计算机通常相对简单、体积小，并被用来控制其它设备——无论是飞机、工业机器人还是数字相机。

同计算机相关的技术研究叫计算机科学，而“计算机技术”指的是将计算机科学的成果应用于工程实践所派生的诸多技术性和经验性成果的总合。“计算机技术”与“计算机科学”是两个相关而又不同的概念，它们的不同在于前者偏重于实践而后者偏重于理论。至于由数据为核心的研究则称为信息技术。

传统上，现代计算机包含至少一个处理单元（通常是中央处理器（CPU））和某种形式的存储器。处理器件执行算术和逻辑运算，并且排序和控制单元可以响应于存储的信息改变操作的顺序。外围设备包括输入设备（键盘、鼠标、操纵杆等）、输出设备（显示器屏幕、打印机等）以及执行两种功能（例如触摸屏）的输入/输出设备。外围设备允许从外部来源检索信息，并使操作结果得以保存和检索。
本来，计算机的英文原词“computer”是指从事数据计算的人。而他们往往都需要借助某些机械计算设备或模拟计算机。

这些早期计算设备的祖先包括有算盘，以及可以追溯到公元前87年的被古希腊人用于计算行星移动的安提基特拉机械。随着中世纪末期欧洲数学与工程学的再次繁荣，1623年德国博学家Wilhelm Schickard率先研制出了欧洲第一部计算设备，这是一个能进行六位以内数加减法，并能通过铃声输出答案的“计算钟”。使用转动齿轮来进行操作。

1642年法国数学家布莱士·帕斯卡在英国数学家威廉·奥特雷德所制作的“计算尺”的基础上，将其加以改进，使能进行八位计算。还卖出了许多制品，成为当时一种时髦的商品。

1801年，法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔对织布机的设计进行改进，使用一系列打孔的纸卡片来作为编织复杂图案的程序。尽管这种被称作“雅卡尔织布机”的机器并不被认为是一部真正的计算机，但是其可编程性质使之被视为现代计算机发展过程中重要的一步。

查尔斯·巴贝奇于1820年构想和设计了第一部完全可程序化计算机。但由于技术条件、经费限制，以及无法忍耐对设计不停的修补，这部计算机在他有生之年始终未能问世。约到19世纪晚期，许多后来被证明对计算机科学有着重大意义的技术相继出现，包括打孔卡片以及真空管。德裔美籍统计学家赫尔曼·何乐礼设计了一部制表用的机器，其中便应用打孔卡片来进行大规模自动数据处理。

在20世纪前半叶，为了迎合科学计算的需要，许多专门用途的、复杂度不断增长的模拟计算机被研制出来。这些计算机都是用它们所针对的特定问题的机械或电子模型作为计算基础。1930－1940年代，计算机的性能逐渐强大并且通用性得到提升，现代计算机的关键特色被不断地加入进来。

1936年，艾伦·图灵提出了图灵机。

1937年，年仅21岁的麻省理工学院研究生克劳德·香农发表了论文《继电器和开关电路的符号分析》，文中首次提及数字电子技术的应用。他向人们展示了如何使用开关来实现逻辑和数学运算。此后，他通过研究万尼瓦尔·布什的微分模拟器进一步巩固了他的想法。这是一个标志着二进制电子电路设计和逻辑门应用开始的重要时刻，而这些关键思想诞生的先驱，应当包括：阿尔蒙·斯特罗格，他为一个含有逻辑门电路的设备申请了专利；尼古拉·特斯拉，他早在1898年就曾申请含有逻辑门的电路设备；李·德富雷斯特，于1907年他用真空管代替了继电器。
沿着这样一条上下求索的漫漫长途去定义所谓的“第一部电子计算机”可谓相当困难。1941年5月12日，德国工程师康拉德·楚泽完成了他的图灵完全机电一体计算机“Z3”，这是第一部具有自动二进制数学计算特色以及可行的程序化功能的计算机，但还不是“电子”计算机。此外，其他值得注意的成就主要有：

1941年夏天诞生的阿塔纳索夫-贝瑞计算机是世界上第一部电子计算机，它使用了真空管计算器，二进制数值，可复用内存；在英国于1943年被展示的神秘的巨像计算机（Colossus computer），尽管程序化能力极为有限，但是它使人们确信使用真空管既值得信赖，又能实现电气化的再编程；哈佛大学的哈佛一型；以及基于二进制的ENIAC，全名为电子数值积分计算器，这是第一部通用意图的计算机，但由于其结构设计不够弹性化，导致对它的每一次再编程都要重新连接电子线路。

1940年代的第二次世界大战中，为训练轰炸机飞行员，美国海军曾向麻省理工学院探询，是否能够开发出一款可以控制飞行模拟器的计算机。军方当初的设想只是希望经由该计算机将飞行员模拟操作产生的数据即时反映到仪表盘上。和以前的训练系统林克训练机不同，军方计划系统能尽可能真实地根据空气动力学模型进行模拟，以使其能适用于各种不同类型的飞机。于是麻省理工创造了旋风工程，其制造出了世界上第一台能够即时处理资料的旋风电脑，并发明了磁芯存储设备。这为个人电脑的发展做出了历史性的贡献。

开发埃尼阿克的小组针对其缺陷又进一步改善了设计，并最终呈现出今天我们所熟知的冯·诺伊曼结构（程序存储体系结构）。这个体系是当今所有计算机的基础。 20世纪40年代中晚期，大批基于此一体系的计算机开始研制，其中以英国最早。尽管第一部研制完成并投入运转的是小规模实验机（Small-Scale Experimental Machine，SSEM），但真正被开发出来的实用机很可能是延迟存储电子自动计算器（EDSAC）。

在整个1950年代，真空管计算机居于统治地位。1958年9月12日在后来英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯的领导下，发明了集成电路。

不久英特尔又推出了微处理器。1959年到1964年间设计的计算机一般称为第二代计算机。

到了1960年代，晶体管计算机将其取而代之。晶体管体积更小，速度更快，价格更加低廉，性能更加可靠，这使得它们可以商品化生产。

1964年到1972年的计算机一般被称为第三代计算机。大量使用集成电路，典型的机型是IBM360系列。

到了1970年代，集成电路技术的引入大大地降低了计算机生产成本，计算机也从此开始走向千家万户。1972年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机。基于大规模积体电路，及后来的超大规模积体电路。Intel 4004是美国英特尔公司 (Intel) 推出的第1款微处理器，也是全球第一款微处理器；1971年11月15日发布。1972年4月1日，英特尔推出8008微处理器。1976年，史蒂夫·乔布斯和斯蒂夫·沃兹尼亚克创办苹果计算机公司。并推出其Apple I计算机。1977年5月Apple II型计算机发布。1979年6月1日，英特尔发布了8位的8088微处理器。

1982年，微电脑开始普及，大量进入学校和家庭。1982年1月康懋达64计算机发布，价格595美元。

1982年2月Intel 80286发布。主频提高到20MHz，并增加了保护模式，可访问640KB存储器。支持1MB以上的虚拟内存。每秒执行270万条指令，集成了134000个晶体管。

1990年11月，微软发布第一代MPC（Multimedia PC，多媒体个人电脑标准）：处理器至少为80286/12 MHz（后来增加到80386SX/16 MHz），有光盘驱动器，传输率不少于150 KB/sec。

1994年10月10日英特尔发布75MHz奔腾处理器。1995年11月1日，Pentium Pro发布。主频可达200MHz，每秒钟完成4.4亿条指令，集成了550万个晶体管。1997年1月8日英特尔发布Pentium MMX，对游戏和多媒体功能进行了增强。

此后计算机的变化日新月异，1965年发表的摩尔定律不断被认证，预测在2030年代以前依然适用。
原理
尽管计算机技术自20世纪40年代第一部电子通用计算机诞生以来以来有了令人目眩的快速发展，但是今天计算机仍然基本上采用的是存储程序结构，即冯·诺伊曼结构。这个结构实现了实用化的通用计算机。

存储程序结构将一部计算机描述成四个主要部分：算术逻辑单元、控制电路、存储器及输入输出设备。这些部件通过一组一组的排线连接（特别地，当一组线被用于多种不同意图的数据传输时又被称为总线），并且由一个时钟来驱动（当然某些其他事件也可能驱动控制电路）。

概念上讲，一部计算机的存储器可以被视为一组“细胞”单元。每一个“细胞”都有一个编号，称为地址；又都可以存储一个较小的定长信息。这个信息既可以是指令（告诉计算机去做什么），也可以是数据（指令的处理对象）。原则上，每一个“细胞”都是可以存储二者之任一的。

算术逻辑单元（ALU）可以被称作计算机的大脑。它能做两类运算： 第一类是算术运算，比如对两个数字进行加减法。算术运算部件的功能在ALU中是十分有限的，事实上， 一些ALU根本不支持电路级的乘法和除法运算（理由是用户只能通过编程进行乘除法运算）。第二类是比较运算，即给定两个数， ALU对其进行比较以确定哪个更大一些。

输入输出系统是计算机从外部世界接收信息和向外部世界反馈运算结果的手段。对于一部标准的个人电脑，输入设备主要有键盘和鼠标，输出设备则是显示器、打印机以及其他许多后文将要讨论的可连接到计算机上的I/O设备。

控制系统将以上计算机各部分联系起来。它的功能是从存储器和输入输出设备中读取指令和数据，对指令进行解码， 并向ALU交付符合指令要求的正确输入，告知ALU对这些数据做哪些运算并将结果数据返回到何处。控制系统中一个重要组件就是一个用来保持跟踪当前指令所在地址的计数器。 通常这个计数器随着指令的执行而累加，但有时如果指令指示进行跳转则不依此规则。

20世纪80年代以来ALU和控制单元（二者合称中央处理器）逐渐被集成到一块集成电路上，称作微处理器。 这类计算机的工作模式十分直观：在一个时钟周期内，计算机先从存储器中获取指令和数据，然后执行指令，存储数据，再获取下一条指令。这个过程被反复执行，直至得到一个终止指令。

由控制器解释，运算器执行的指令集是一个精心定义的数目十分有限的简单指令集合。一般可以分为四类：1）、数据移动 （如：将一个数值从存储单元A拷贝到存储单元B）2）、数逻运算（如：计算存储单元A与存储单元B之和，结果返回存储单元C）3）、 条件验证（如：如果存储单元A内数值为100，则下一条指令地址为存储单元F）4）、指令串行改易（如：下一条指令地址为存储单元F）

指令如同数据一样在计算机内部是以二进制来表示的。比如说，10110000就是一条Intel x86系列微处理器的拷贝指令代码。 某一个计算机所支持的指令集就是该计算机的机器语言。因此，使用流行的机器语言将会使既成软件在一部新计算机上运行得更加容易。所以对于那些机型商业化软件开发的人来说，它们通常只会关注一种或几种不同的机器语言。

更加强大的小型计算机，大型计算机和服务器可能会与上述计算机有所不同。它们通常将任务分担给不同的CPU来执行。今天， 微处理器和多核个人电脑也在朝这个方向发展。

超级计算机通常有着与基本的存储程序计算机显著区别的体系结构。它们通常有着数以千计的CPU， 不过这些设计似乎只对特定任务有用。在各种计算机中，还有一些微控制器采用令程序和数据分离的哈佛架构（Harvard architecture）。
电路实现
以上所说这一些概念性设计的物理实现是多种多样的。如同我们前述所及，一部存储程序式计算机既可以是巴比奇的机械式的， 也可以是基于数字电子的。但是，数字电路能通过诸如继电器之类的电子控制开关来实现使用2进制数的算术和逻辑运算。 香农的论文正是向我们展示了如何排列继电器来组成能够实现简单布尔运算的逻辑门。其他一些学者很快指出使用真空管可以代替继电器电路。 真空管最初被用作无线电电路中的放大器，之后便开始被越来越多地用作数字电子电路中的快速开关。当电子管的一个针脚被通电后，电流就可以在另外两端间自由通过。

通过逻辑门的排列组合我们可以设计完成很多复杂的任务。举例而言，加法器就是其中之一。 该器件在电子领域实现了两个数相加并将结果保存下来—在计算机科学中这样一个通过一组运算来实现某个特定意图的方法被称做一个算法。 最终，人们通过数量可观的逻辑门电路组装成功了完整的ALU和控制器。说它数量可观，只需看一下CSIRAC这部可能是最小的实用化电子管计算机。 该机含有2000个电子管，其中还有不少是双用器件，也即是说总计合有2000到4000个逻辑器件。

真空管对于制造规模庞大的门电路明显力不从心。昂贵，不稳（尤其是数量多时），臃肿，能耗高，并且速度也不够快—尽管远超机械开关电路。 这一切导致20世纪60年代它们被晶体管取代。后者体积更小，易于操作，可靠性高，更省能耗，同时成本也更低。

20世纪60年代后，晶体管开始逐渐为将大量晶体管、其他各种电器器件和连接导线安置在一片硅板上的集成电路所取代。 70年代，ALU和控制器作为组成CPU的两大部分，开始被集成到一块芯片上，并称为“微处理器”。沿着集成电路的发展史，可以看到一片芯片上所集成器件的数量有了飞速增长。第一块集成电路只不过包含几十个部件，而到了2015年，一块Intel Core i7处理器上的晶体管数目高达十九亿之巨。

无论是电子管，晶体管还是集成电路，它们都可以通过使用一种触发器设计机制来用作存储程序体系结构中的“存储”部件。 而事实上触发器的确被用作小规模的超高速存储。但是，几乎没有任何计算机设计使用触发器来进行大规模数据存储。 最早的计算机是使用Williams电子管向一个电视屏或若干条水银延迟线（声波通过这种线时的走行速度极为缓慢足够被认为是“存储”在了上面） 发射电子束然后再来读取的方式来存储数据的。当然，这些尽管有效却不怎么优雅的方法最终还是被磁性存储取而代之。比如说磁芯存储器， 代表信息的电流可在其中的铁质材料内制造恒久的弱磁场，当这个磁场再被读出时就实现了数据恢复。动态随机存储器亦被发明出来。它是一个包含大量电容的集成电路，而这些电容器件正是负责存储数据电荷—电荷的强度则被定义为数据的值。