Реализация арифметических операций. Как устроена?
Реализация зависит от платформы. Вы можете посмотреть во что компилируются интересующие вас операции для конкретного компилятора с помощью дизассемблера (в студии есть встроенный, для unix есть objdump -D > somefile.asm).
Вообще, оптимизации на уровне арифметических команд это последнее дело. Для начала желательно убедиться, что нет алгоритма с лучшей ассимптотикой (считая что все арифметические операции работают за 1).
Для обработки однотипных данных возможно получить ускорение за счет векторных операций из расширений  процессора SSE* или на GPU.
любые книги (как правило встречались советских времен) с математической обработкой ЭВМ, вплоть до схемотехники (дешифраторы, регистры и тд, там описываются очень подробно двоичные коды и системы) и начиная от различных базовых учебников по информатике (операции в двоичных кодах, дополнительные коды, системы счисления, как представляется информация в ЭВМ). очень доходчиво можно постичь весь низовой уровень операций ЭВМ (не важно какой платформы и архитектуры, так как это база) в книгах наших соотечественников, западных и восточных коллег (советских времен)