任天堂没有选择在主板上放置许多现成的芯片，而是采用 单芯片设计 来容纳（和隐藏）包括 CPU 在内的大部分组件。 这种芯片被叫做 SoC（System on a Chip，"片上系统"）—— 在这里，SoC 就是专门为这款游戏机打造的芯片，这使得任天堂能够根据自己的需求（能效、反盗版与额外的 I/O ，等等）进行定制。 同时也意味着，这种芯片不可能通过零售渠道买到，这让当时的竞争对手更难以仿制它。
GameBoy上使用的 SoC 被称为 DMG-CPU（也叫 Sharp LR35902），从名字里可以看出，这是由 Sharp 生产的。 这家公司和生产 NES CPU 的供应商 Ricoh 一样，与 Nintendo 的关系非常密切。
CPU 核心
DMG 的主处理器是 Sharp SM83 ——这是 Zilog Z80 与 Intel 8080 相融合的产物。Z80 在当时的应用非常广泛，你可以在家用计算机、德仪图形计算器，以及 Sega Master System（SMS） 和 Game Gear 中见到它。 SM83 运行于大约 4.19 MHz，看上去比 1 MHz 的CPU更快；但这里必须指出，处理器的时钟频率有时是会 骗人 的。
位于 GameBoy 主板上的 DMG-CPU
回顾我们在 SMS 上的分析，我说过"Z80 是 8080 的'超集'" 。 所以与这两个处理器相比，SM83 多了什么，又缺了什么？
- 它既没有 Z80 的
IX和IY寄存器，也没有 8080 的IN、OUT这两种指令， 这意味着它根本就没有 I/O 接口。 我并不清楚这是不是为了节约成本，但这一点意味着硬件设备需要 完全的内存映射，才能与 CPU 进行交互。 - 只具有类似 8080 的寄存器组。 因此，SM83 只有7个通用寄存器，这与 Z80 的 14 个寄存器不同（在 Z80 中，每个寄存器都有其"备份"）。
- 包含了 Z80 的部分扩展指令集，但只限于位操作指令。
此外，Sharp 还增加了一些不存在于 Z80 和 8080 的 新指令 ， 这些额外的指令针对 Nintendo 与 Sharp 对硬件的安排进行优化。 其中一个是 LDH，即"读取高位地址内存"（LoaD from High memory） —— 这里的"高位地址"，位于内存的最后 256 个字节，即开始于 $ff00。这样写程序的时候可以少写一个字节，速度也更快一些。
彩色效果
Game Boy Color的主板
同样是主板的照片，但标注了重要部件
过了将近 10 年，随着 Virtual Boy 与它的 先进技术 被人遗忘，一个不起眼的继任者出现了：GameBoy Color（GBC，代号 CGB）， 里面的新 SoC 被叫做 CPU CGB。它的功能更多了， 但它的核心 SM83 还在，只是时钟频率翻倍，达到约 8.38 MHz。
很难想象十年后 Nintendo 仍然捆绑使用同一颗 CPU。但这种方案仍然有一些好处：
- 开发者可以在新主机上沿用曾经的编程技能。
- 不需要为一个新架构重新设计他们的游戏系统，这可以省一些钱。
- 向后兼容不费吹灰之力。 其实，这颗核心可以通过编程改变工作模式：
- 正常模式，SM83 在通常时钟频率下运行（约 4.19 MHz），以适应原版 GameBoy；
- 二倍速模式，SM83 的时钟频率翻倍，达到约 8.38 MHz。这是 GameBoy Color "原始"的时钟频率。
但在九十年代后期，仍然使用这种过时技术是要被玩家痛骂的。 稍微看一眼 当时 CPU 的市场行情，就能明白这个掌机究竟错过了什么（但说实在的，Nintendo 保守不保守真的很难讲，例如 Virtual Boy）。
硬件访问
SM83 沿用了 8 位数据总线** 和** 16 位地址总线，可以寻址 64 KB 的内存。 内存映射的结构如下：
- 存储卡带若干区块的空间（Block 0 和 Block else）；
- 工作 RAM（WRAM）、高位地址 RAM（HRAM）和显示 RAM（VRAM）；
- I/O（按键、音频、图形与 LCD）；
- 中断控制。
这些都将在后面为大家说明。
可用内存
DMG（原版 GameBoy）的内存架构 PPU负责对VRAM的访问进行仲裁
Nintendo 装在主板上的 8 KB RAM 是为"一般用途"准备的，这部分就是所谓的 WRAM。 这一大小可是 NES 的四倍。
另外还有 127 B RAM 位于 SoC 中， 这便是 HRAM。借助 SM83 独特的 LDH 指令，这部分空间的数据能够以更快的速度读取。 这与 6502（NES 上的处理器）上的"Zero Page"模式非常相似，它也是利用内存位置优化性能的。 从技术上讲，它跟外面的那部分相比没有实质性区别，但这是 CPU 优先访问的区域。 这里先放一边，等到"图形"章节讨论到 DMA （Direct Memory Access，直接内存访问）组件的时候，您就会明白这意味着什么。
扩展后的CGB内存架构（Game Boy Color）。 PPU再次负责对VRAM的访问进行仲裁
在 GameBoy Color 中，WRAM 扩大到 32 KB。 然而，由于 CPU 还是那个 CPU（特别是因为它有限的内存总线），直接把这些内存加进去会造成地址空间溢出，显然很不现实。 为了解决这个问题，Nintendo 的工程师引入了 "地址组切换" 机制。 这种机制继承自 NES 的卡带，使得 GameBoy Color 可以只使用 8 KB 的内存来访问 32 KB 的 WRAM。 技巧相当简单：8 KB 内存中，后面的 4 KB 可以在 7 个不同的 Bank 之间进行交换。 这样一来，为了让开发者能够检查扩展内存，CPU 又捆绑了一个额外的寄存器，即 SVBK，作为地址组切换器。