ALU（ALU: エーエルユー）

2025年10月13日

ALU（ALU: エーエルユー）

英語表記: ALU (Arithmetic Logic Unit)

概要

ALUは、CPU（中央演算処理装置）の中核を担う、極めて重要なデジタル回路です。これは、私たちが扱うコンピュータが実行するすべての算術演算（足し算、引き算など）と論理演算（比較、判断など）を一手に引き受ける役割を持っています。この機能こそが、ALUが「コンピュータの構成要素」における「演算装置の基本構成」として位置づけられる所以であり、コンピュータが単なるデータ保管庫ではなく、知的な処理を実行できる機械であるための基礎を築いています。

詳細解説

ALUは、コンピュータの五大要素のうち「演算装置」に分類されますが、その活動は非常に多岐にわたります。ALUの働きがなければ、コンピュータはデータ処理、プログラミング、ゲームの動作など、いかなる高度なタスクも実行できません。

演算装置の中核としての役割

ALUの主な目的は、制御装置（CU）から送られてくる命令に基づき、データを処理することです。私たちが普段目にする複雑な処理も、突き詰めていけばALUが実行する非常に単純で高速な計算と判断の連続にすぎません。

ALUの処理は大きく分けて以下の二つに分類されます。

1. 算術演算 (Arithmetic Operations)

これは、数値データに対する基本的な計算処理です。具体的には、加算（足し算）、減算（引き算）はもちろん、乗算（掛け算）、除算（割り算）も含まれます。例えば、表計算ソフトで合計値を出す際や、3Dグラフィックスの座標を移動させる際など、数値が関わるすべての場面でALUが活躍しています。ALUはこれらの処理を、人間が手計算するのとは比べ物にならない速度で、電気信号のレベルで瞬時に完了させます。

2. 論理演算 (Logic Operations)

算術演算が「計算」であるのに対し、論理演算は「判断」や「比較」を担当します。これはプログラミングにおいて非常に重要です。例えば、「もしAがBより大きければ、次の処理に進む」といった条件分岐をコンピュータが行う場合、ALUは論理演算回路を使ってAとBを比較し、その真偽（TrueまたはFalse）を判断します。代表的な論理演算には、AND（かつ）、OR（または）、NOT（ではない）などがあります。これにより、コンピュータは単に計算するだけでなく、状況に応じた柔軟な意思決定が可能になるのです。

主要な構成要素と動作の流れ

ALU自体は複数の専門的な回路で構成されています。

演算回路: 加算器（Adder）や乗算器など、特定の算術演算を実行する回路群です。
論理回路: ANDゲート、ORゲート、NOTゲートなどの基本的な論理回路が集積されており、比較や条件判断を行います。
アキュムレータ（累算器）: 演算結果を一時的に保持するためのレジスタ（記憶領域）です。ALUが計算を行った直後、結果はまずこのアキュムレータに格納されます。
ステータスレジスタ（フラグレジスタ）: 演算結果の状態（例えば、結果がゼロだったか、オーバーフローが発生したかなど）を示すフラグ（目印）を保持します。これは、制御装置が次の命令を決定する上で重要な情報を提供します。

ALUの動作は、制御装置（CU）からの指示によって駆動します。CUが「このデータとこのデータを足しなさい」という命令をデコードすると、ALUはその命令を受け取り、必要な演算回路を起動させ、メモリからデータを取り出し、処理を実行し、結果を再びレジスタやメモリに戻します。この一連のサイクルが、ナノ秒（10億分の1秒）単位で繰り返されているのです。

私たちが「コンピュータの構成要素」としてCPUを理解する際、ALUが演算の心臓部であり、制御装置がその心臓を動かす司令塔であるという関係性を押さえておくことが非常に大切です。ALUは単なる計算機ではなく、制御装置と密接に連携し、コンピュータ全体を駆動させているのです。

具体例・活用シーン

ALUの働きはコンピュータのあらゆる瞬間に存在しますが、特に初心者の方に分かりやすいように、具体的な例と比喩を用いて説明します。

表計算ソフトでの活用

私たちがMicrosoft ExcelやGoogle Sheetsなどの表計算ソフトで、大量のセルをSUM関数で合計したり、IF関数で条件付きの処理を行ったりする際、その裏側ではALUが猛烈に働いています。

SUM関数: 数値の加算という算術演算をALUが担当します。
IF関数: 「もし売上が目標額を超えていたら『達成』と表示する」という判断は、ALUが論理演算（比較）を行い、真偽を判定しています。

アナロジー：高速道路の料金所と管制塔

ALUの役割を理解するための良い比喩は、「高速道路の自動料金所（ETC）と、その背後にある瞬時の判断能力」です。

料金の計算（算術演算）: 料金所ゲートは、入口と出口の距離情報を受け取り、瞬時に正確な料金を計算します。これはALUの算術演算の役割です。
ETCカードの有効性判断（論理演算）: ゲートは同時に、「このカードは有効か？」「残高は十分か？」という条件をチェックし、問題がなければ「開け（True）」、問題があれば「閉めろ（False）」と判断します。この瞬時の比較と判断こそが、ALUの論理演算の役割です。
管制塔（制御装置）との連携: 料金所（ALU）は、管制塔（制御装置）からの指示（「今、このカードをチェックせよ」）を受けて動き、処理が終わったら結果（「料金はいくらで、通過OK」）を管制塔に報告します。

このように、ALUはただ計算するだけでなく、計算と判断を極めて高速に実行し、その結果を次の動作に繋げるという、非常にダイナミックな役割を担っているのです。これが、演算装置（ALU, FPU）というカテゴリの中で、ALUが基本構成として揺るぎない地位を占める理由です。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、ALUはコンピュータの基本原理を問う問題で頻出します。

五大装置における位置づけ:
- ALUはCPUに含まれる「演算装置」であることを確実に覚えてください。CPUは「演算装置」と「制御装置」から構成されるという基本構造は、IT知識の基礎中の基礎です。
ALUと制御装置（CU）の役割分担:
- ALUは実際に計算・判断を行う実行部隊です。
- 制御装置（CU）は、命令を解釈し、ALUや他の装置に指示を出す司令塔です。
- 試験では、「命令の解釈を行うのはどれか？」といった形で、役割の混同を誘う問題が出題されやすいので注意が必要です。
演算の種類:
- ALUが担当するのは、算術演算（加減乗除）と論理演算（AND, OR, NOT, 比較）の二種類である、と明確に区別して覚えておきましょう。特に論理演算は、コンピュータの「判断能力」の源泉として重要視されます。
関連用語の区別:
- ALUは整数演算や基本的な論理演算を担当します。
- FPU (浮動小数点演算ユニット)は、より複雑で精度の高い浮動小数点数（小数点を持つ数値）の計算を専門に行う装置です。試験では、この二つの違いを問われることがあります。「演算装置」カテゴリにおいて、ALUが基本、FPUが専門性の高い補助装置と理解しておくと良いでしょう。