演算装置

演算論理装置（えんざんろんりそうち）は、ALU(Arithmetic Logic Unit)とも呼ばれ、コンピュータに搭載されるCPU（プロセッサ）を構成する部品の1つ。

ALUはCPUの中核である実行ユニットの一部である。 ALUは様々な四則演算や論理演算などを処理する。

現在のコンピュータのALUは2の補数表現を使っている(初期のコンピュータには1の補数を使ったり符号-仮数部形式を使ったりした)。

フォン・ノイマンの提案

1945年、数学者ジョン・フォン・ノイマンはEDVACと呼ばれる新しいコンピュータの基礎的レポートでALUの概念を提案した。1946年、彼はその提案を発展させてプリンストン高等研究所(IAS)でコンピュータの設計に従事し、そのIASマシンが後の多くのコンピュータの原型となった。その提案の中で、ALUなどの彼が必要と信じたものについて概説したのである。フォン・ノイマンは、コンピュータを四則演算を含む基本的な数学の計算をするものと定義し、そのための専用の器官(ALU)が必須であると述べた。

ALUの動作

多くのALUは以下のような動作をする。

整数演算操作 (加算、減算、乗算)
論理演算 (AND、NOT、OR、XOR)
ビットシフト操作 (ワードを指定されたビット数ぶんだけ右(または左)にシフト(またはローテート)する。符号拡張をする場合もある)

典型的なALUでは整数の除算や浮動小数点数の処理を行わない。これらの演算の処理を行う方法としては以下のようなものがある。

ソフトウェアによるエミュレーション(性能の追求のため機械語で実装したライブラリとして提供されることが多い。あるいはコンパイラのインライン展開などによる) (最も低速)
マイクロコードでALUに存在しない操作をエミュレーションする (中くらいの速度)
除算器や浮動小数点ユニット(FPU)のような別のハードウェア部品で実現する。時にはコプロセッサという形をとる (最も高速)

入力と出力

ALUは入力として処理すべきデータ(オペランドと呼ぶ)を受け取り、制御装置からのコードで実行すべき処理(演算)の種類を認識する。出力はその演算の結果である。

多くのALUのデザインでは、入力としてステータスレジスタ上の条件フラグを取ってきたり、逆に演算の結果としてステータスレジスタの条件フラグを変更したりする。例えば、キャリーを入力としたり、キャリーを出力したり、算術オーバーフローをステータスレジスタに表示したり、ゼロ除算をステータスレジスタに表示したりといったことを行う。

フォン・ノイマンの提案

ALUの動作

入力と出力

関連項目