操作系统负责管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其他应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括五个方面的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。
目前微机上常见的操作系统有DOS、UNIX、LINUX、Windows等。但所有的操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性四个基本特征。
操作系统理论在计算机科学中为历史悠久而又活跃的分支，而操作系统的设计与实现则是软件工业的基础与内核。
人工智能计算机
人工智能型计算机能理解人的语言、文字和图形，人无需编写程序，依靠讲话就能对计算机下达命令，驱使它工作。它能将一种知识信息和与之相关联的其它知识信息连贯起来，作为对某一知识领域具有渊博知识的专家系统，成为人们从事各方面工作的得力助手和参谋。第五代计算机还是能“思考”的计算机，能帮助人们进行推理和判断，具有逻辑思维能力。它在理论和工艺技术上看与现在的计算机也有根本不同，它能提供更为先进的功能，以摆脱传统计算机的技术限制，为人类进入信息化社会提供一种强有力的、不可替代的工具。
1981年10月，日本首先向世界宣告开始研制第五代计算机，并于1982年4月制订为期10年的“第五代计算机技术开发计划”，总投资为1000亿日元，目前已顺利完成第五代计算机第一阶段规定的任务。
第五代计算机基本结构通常由问题求解与推理、知识库管理和智能化人机接口三个基本子系统组成。
问题求解与推理子系统相当于传统计算机中的中央处理器。与该子系统打交道的程序语言称为核心语言，国际上都以逻辑型语言或函数型语言为基础进行这方面的研究，它是构成第五代计算机系统结构和各种超级软件的基础。
知识库管理子系统相当于传统计算机主存储器、虚拟存储器和文体系统结合。与该子系统打交道的程序语言称为高级查询语言，用于知识的表达、存储、获取和更新等。这个子系统的通用知识库软件是第五代计算机系统基本软件的核心。通用知识库包含有：日用词法、语法、语言字典和基本字库常识的一般知识库；用于描述系统本身技术规范的系统知识库以及把某一应用领域，如超大规模集成电路设计的技术知识集中在一起的应用知识库。
智能化人机接口子系统是使人能通过说话、文字、图形和图像等与计算机对话，用人类习惯的各种可能方式交流信息。这里，自然语言是最高级的用户语言，它使非专业人员操作计算机，并为从中获取所需的知识信息提供可能。
现在，计算机、网络和通信技术已经三位一体化，未来的计算机将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类和社会拓展了更大的生存和发展空间。第五代计算机是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。
知识点机器语言
机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言，指令是用0和1组成的一串代码，它们有一定的位数，并分成若干段，各段的编码表示不同的含义，例如某台计算机字长为16位，即有16个二进制数组成一条指令或其他信息。16个0和1可组成各种排列组合，通过线路变成电子信号，让计算机执行各种不同的操作指令。
“神经”计算机
许多年以来，人们把电子计算机称之为电脑，其实是名不副实的。尽管当今电子计算机已具有惊人的计算速度和存储信息的能力，但论其“智力”，与人脑相比它却是一个毫不含糊的“傻瓜”。一个五岁的孩子就能辨认周围每个不同人的面孔，对于穿越马路这样的事也能很快做出判断，避免与来往车辆相撞。然而，这些事情如果让电子计算机来做，哪怕用上亿次巨型机，其所需要的计算的数量，用打印纸足足可以排满近70万平方千米。由此可见，电子计算机与人脑的神经网络相比显得太不中用了。
正如美国前总统里根的科学顾问、白宫科技办公室主任乔治·基沃恩在谈到电脑前景时，一针见血地指出：“目前电脑的王牌是每秒可进行上百亿次浮点操作的巨型超级机，但它的基本概念和计算方法与40年代的计算机并没有多大区别。它所具有的本领只是已输入知识的总和。人脑远比电脑聪明，尽管计算速度不如电脑，但运算法则要先进得多。要创造性发展电脑，就必须要了解人脑。”
因此，许多科学家都把人脑当成了研究对象，并通过多年来的探索研究，科学家们得到了许多有益的启示，提出种种设想。
第一，科学家发现，人脑的神经系统是一种分布存储方式，数量庞大的信息被存储在许多不同的地方，而不是每一个地方各存放一点信息。
第二，科学家还发现，人大脑中的神经元（又称神经突）之间的连接部分也用于存储信息。
第三，科学家又发现，人脑里的信息是由数字信号和模拟信号混合形式组成的。人脑能够用不太高的精确度进行极复杂的计算。
这些是人脑比电脑更高明的主要方面。为此，科学家们开始进行一系列模拟人脑功能的尝试。科学家指出，工作速度在万亿次每秒以上的“神经计算机”将成为计算机的发展趋势，它的构成原理和功能特点与当今电脑完全不同，具有并行处理、分布式存储以及自适应等特点。
经过一系列的试验，科学家们得出结论，采用目前的电子方法和元器件无法构成如此复杂的“神经计算机”，必须要应用诸如光学方法和神经器件等崭新技术手段。开发新一代生物芯片、神经芯片等超级集成元器件，是研制“神经计算机”的第一步。
生物芯片实际上是一种应用基因工程技术制造的蛋白质分子。科学家研究结果表明，在一些半醌类有机化合物和蛋白质分子中的氢具有“开”和“关”的电气性能，可以用来制造类似半导体电路的计算机芯片。这种生物芯片的集成度几乎要比半导体集成电路高数百亿倍，且不依靠电子传递信息，而是依靠波的方式来传播。因而，从根本上解决了半导体集成电路因集成度过高会造成过热的难题。
1994年11月，美国南加利福尼亚大学伦纳德·艾德曼教授首次公之于世利用生物芯片研制的电脑。这个被称之为生物计算机的电脑，其运算过程是通过一系列生物化学反应来实现的。构成逻辑判断装置的生物芯片则是由脱氧核糖核酸材料制成的。据电脑权威人士宣称，生物芯片的成功出世为通向“神经计算机”的道路扫除了一大障碍。
神经芯片也是电脑科学家追踪的目标之一。这种芯片主要是用诸如非晶硅高效光电导薄膜、铁电液晶体、导电聚酰亚胺薄膜等光学材料制成的，通过它们可以产生一个与接收到的光信号强度成正比例的电动势。芯片中利用光信号来传递信息，由于光信号十分容易被处理成若干个平行光束，因此可以同时快速处理众多的信息。这样，神经芯片的功能就十分接近于人们大脑中的神经元。日本三菱电机公司于1991年9月率先制成世界上第一个光神经芯片。这种芯片具有学习和记忆功能，其学习速度可高达800亿次每秒，可用于解决诸如图像识别、控制、预测等当今电脑难以应付的复杂计算问题。
作为现代高新技术的一个重要组成部分，“神经计算机”正向我们展示一个精彩纷呈的世界。虽然“神经计算机”在开发和研究的道路上会遇到许多棘手难题，但它终将走进我们的生活！
量子效应与量子计算机
自从1958年世界上出现第一块半导体平面集成电路至今，微电子技术以令人震惊的速度发展着，元器件的集成度越来越高，其结构特征也越来越趋于微型化，由此而发展的微电子微细加工技术已成了提高集成度和半导体存储器密度的关键之一，也是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。权威人士认为，尽管在每个芯片上集成数十亿个元器件的目的可以实现，但微型化已趋近极限。如再要小下去，已超越微电子技术理论的宏观极限。因此要支撑计算机的继续发展，就需要另辟蹊径。
21世纪初大量实验事实表明，电子与光子一样，不仅具有粒子性，同时还具有波动性，即所谓的波粒两象性。当电子所处的空间较大时（例如一般的集成电路线路），波动的性质可以忽略，电子可以作为粒子看待。当电子所处的空间很小时，例如线宽在0.1微米以下（已接近目前集成电路线宽的极限）时，电子就会表现出明显的波动性，这种波动性所表现出来的种种现象就是量子效应。利用量子效应所制作的元器件就是“量子器件”。
量子器件不仅体积小，而且工作原理和现有的半导体电子器件完全不一样。迄今为止，各种硅半导体电子器件都是通过控制电子的数目来实现信息处理的。例如，开关元件通过有无电子流来控制电路的通、断，或表示状态“1”或“0”；放大元件是控制所通过电子的多少来实现放大功能的。
然而，量子器件不单纯通过控制电子数量的变化，而主要是通过控制电子波动的相位来进行工作的，它能实现更高的响应速度和更低的电力消耗。因此，量子器件的出现，人们就有可能研制出比现有最小的电子器件还要小的、由单个电子构成的元器件。据报道，美国威斯康星大学的材料科学家根据量子力学理论已制造出了一些可容纳单个电子的被称为“量子点”的微小结构。这种量子点非常微小，在一个针尖上就可容纳几十亿个。这将为制造更微型化的微处理器和更高容量的存储器开拓了美好的前景。科学家认为，量子力学的理论将会对整个电子工业产生重大的影响——产生量子计算机。
所谓量子计算机，是指建立在量子力学理论基础上的计算机，它有两个含义：一是指它所用的微处理器是一种量子器件；二是指它的计算过程将利用量子力学理论。
量子计算机除了所用的器件同现在的计算机不同外，其工作原理也不一样，且可以快速完成复杂的计算任务。如要对一个巨大的数进行因子分解，使用现在的计算机时，不仅需要完成大量的除法操作，且操作次数可迅速呈指数上升，而量子计算机却可迅速完成这一工作。
量子计算机但是迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。
光与光脑
光脑是由光导纤维与各种光学元件制成的计算机。利用了光的传播速度比电子速度快的原理。它不像普通电脑靠电子在线路中的流动来处理信息，而是靠一小束低功率激光进入由反射镜和透镜组成的光回路来进行“思维”的，但同样具有存储、运算和控制等功能。早在20世纪50年代，人们就开始了制造光计算机的尝试，直到80年代中后期才有了决定意义的突破。20世纪90年代中期，世界上第一台光脑已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的70多位不同国籍的科学家研制成功。
预计取代电脑的光脑要知道光脑为什么要优于传统的电脑，首先还要从光的特性谈起。作为信息媒质的光，从信息处理的角度看，通常具有三大特点：（1）频域宽。光的频率比电波高很多，所以信息传送容量也要大得多。另外，通过偏光和空间多重化，还可以使这一频域拓宽。（2）无感应。在以前的配线技术中，随着配线的密度提高和频率提高，不能忽略配线间分布电容的影响，串音现象很严重。这也是决定电子器件安装密度界限的一个重要因素。使用光时，这种感应的噪音可以减到非常小。（3）相互连接的柔软性。通常，电信号用带有地线的线路传送。这种线路存在阻抗，因而规定了信号传播速度。此外，各元件之间的阻抗必须匹配。可是，光可以在自由空间或电介质波导中传播，不存在阻抗的匹配问题，特别是在自由空间传播时，相互连接的并行化很容易。由于以上原因，光计算机和以电子作为信息传输媒质的传统计算机有重大差别，使得利用光技术的信息处理方法受到人们的关注。除此之外，用光传送信息不仅具有卓越的能力，而且它的切换和运算元件的响应速度也都很快。
除了上述光的特性决定了光脑优于传统电脑以外，更为重要的是光脑的许多关键技术，如光存储技术、光互连技术、光电子集成电路等都已获得突破。
在光存储方面，由于未来计算机所要求的容量将大大超出现有CD-ROM或磁盘，而人们对采用光记录技术的全息方式展示了很大的希望，因为它具备了必要的高存储密度和快速时间访问。全息数据存储器在读写数据块中都用到了激光技术，或者说是将数据“分页”到感光材料中。