NES 的 CPU 型号为 理光（Ricoh）2A03 ，基于当时流行的 8 位 CPU MOS Technology 6502，能以 1.79 MHz 的速度运行（或 PAL 系统上为 1.66 MHz）。
相关背景
70 年代末到 80 年代初的 CPU 市场可谓是百花齐放。
搭载了6502 CPU 的 Commodore PET。
搭载了 Z80 CPU 的 Tandy TRS-80。
如果某公司想制造一款便宜的微型电脑，它可以有以下选项:
- Intel 8080：一款流行的 CPU，应用于第一台"个人"电脑 Altair。 它有 8 位的数据总线和 16 位的地址总线。
- Zilog Z80：一款"非官方"版本的 8080 增强型处理器，较原版有更多的指令、寄存器和内部组件。 它售价更低且兼容 8080 程序 。 Amstrad 和 Sinclair（等公司）选择了这款CPU。
- Motorola 6800：另一款由摩托罗拉（Motorola）设计的 8 位 CPU，包含完全不同的指令集。 许多 DIY 电脑套件、合成器以及一体机使用了 6800。
如果这些选项还不够，市场上出现了一家名叫 MOS 的公司，他们基于 6800 设计了一款新的 CPU：6502。 虽然与其他 CPU 不兼容，但这款新的芯片造价 非常便宜 ，那些标志性的电脑制造商（Commodore、Tandy、Apple、Atari、Acorn 等）选择 6502 来生产他们的机器只是时间问题。
说回日本，彼时的任天堂正需要一款廉价但是开发者熟悉的 CPU，于是他们相中了 6502。 理光，他们的 CPU 供应商，也成功地制造了一款兼容 6502 的 CPU。
理光的许可之谜
关于理光 如何 设法克隆 6502，时至今日已无人能说清了。 有人认为 MOS 向理光授权了芯片设计，但此事存在诸多矛盾之处：
- 虽然理光和 MOS 的芯片都有相同的布局，但理光的版本包含被切断的总线（这禁用了某些功能）。 后面我会详细介绍这一点。
- 没有找到明确说明 MOS 向理光授权 6502 的文档。
- Nikkei Trendy 在 2008 年发表的一篇文章中说，理光从罗克韦尔（Rockwell）获得了许可，罗克韦尔是被授权的芯片制造商 。 然而，第二方能否向第三方提供IP仍有争议，更不用说得到MOS的批准了。
- 这不是任天堂第一次逃避知识产权，在日本 Ikegami Tsushinki 诉 Nintendo 一案中任天堂就被裁定不拥有原版《咚奇刚》（Donkey Kong）的源代码 。
被阉割的功能
理光 2A03 阉割了原先包含在 6502 中的 Binary-Coded Decimal （BCD）模式 。 BCD 将每个十进制数字编码为独立的 4 位二进制数。 6502 的字（word）大小为 8 bits（8 个二进制位）——这意味着每个字可以存储两个十进制数。
举个例子，十进制数字 42 可以表示为：
0010 1010（二进制）0100 0010（BCD 码）
我还可以举更多的例子，但是只需记住一个概念：BCD 对那些需要分别处理每个十进制数的应用很有用（例如，数字时钟）（译注：使用汇编表示数值字面量时，BCD 更好用）。 但是，使用BCD 编码需要更多存储空间：每个 8-bit 字最大只能表示到十进制数的 99。而传统二进制编码中，同样大小的字最大能表示到 255。
无论如何，理光故意切断了激活 BCD 模式的控制线，破坏了 BCD 模式。 这样做可能是为了避免向 MOS 支付版税，因为 BCD 是 MOS 的专利（美国针对集成电路布局的版权法直到 1984 年才颁布 ）。
内存
理光 2A03 和 MOS 6502 都有 8 位数据总线 和 16 位地址总线，这使得它们能访问最大 64 KB 的内存。 那么，任天堂是如何填充地址空间的？
在一方面，主板上包含一块提供了2 KB 的静态 RAM(SRAM) 的芯片。 任天堂称这个区域为"工作内存"（Work RAM，WRAM），它可以用来存储：
- 用来处理游戏状态或查找信息的变量。
- 当 CPU 执行子例程时，用来临时保存寄存器值的"栈（Stack）"。
- 作为"缓冲区"，CPU 可以利用它在两个位置之间复制大量数据。
其二，系统组件进行了内存映射（memory-mapped） ，这意味着需要使用内存地址来访问它们，这也占用了一部分 CPU 的地址空间。 因此 CPU 的内存空间包含了游戏卡带、WRAM、PPU、APU 和两个手柄 （不用害怕这些名词，因为它们在这篇文章都有解释）。
卡带 / 游戏数据
以防万一你不知道，NES 游戏以卡带（cartridge）的形式分发，而卡带总线又直接连接到 CPU。
任天堂连接卡带的方式使得 CPU 只能访问 49120 字节（约 49.97 KB）的卡带数据（cartridge data） 。 那么，"卡带数据"是什么意思？ 呃，任何连接到这些总线的芯片都算，例如：
- 游戏程序所在的 程序 ROM（Program ROM）。 其中不包含任何图形数据，稍后你会在"图形"部分看到。 自然，不像其它芯片，这个是芯片是必须要有的。
- 用于扩展 WRAM 的 RAM 芯片。
- 用于保存存档的内含电池的 RAM 芯片
之所以有这么多不同的组合，是因为 CPU 不关心正在读取的组件类型，它只关心内存位置。 所以游戏开发商可以选择（或者设计出）一种适合他们游戏的可行布局。
《超级马力欧兄弟》 的PCB。
带有重要部件标签的相同 PCB。 "锁定"芯片的含义会在"反盗版"部分解释。
例如，任天堂的《超级马里奥兄弟》使用了他们称之为NES-NROM-256的布局，包括32 KB的程序ROM和用于图形的8 KB"字符ROM"（我们将在"图形"部分了解更多）。 NES-NROM-256也被设计为最多容纳3 KB的额外WRAM，尽管游戏没有使用它。
超越限制
16 位地址总线的一大限制（影响第三代和第四代游戏主机）是其紧凑的地址空间。 如今，32 位计算机最大可以寻址 4 GB 的内存（而 64 位计算机可以奢侈地享用最大 16 EB 的内存）所以不再有人关心这个问题。但回到当时，NES 只有 64 KB 的地址空间，而且其中很大一部分被内存映射硬件占用（竞争对手避免了这个问题）。
所以，这是否意味着游戏开发商只能开发不超过 49.97 KB 限制的游戏？ 绝对不是！ 如果说我们能从历史中学到什么，那就是对挑战性的问题总有一个聪明的解决办法；而这个问题是被 Mapper 解决的。
映射器如何扩展 CPU 的寻址能力的简化表示图。 通过引入 Mapper，CPU 可以访问超过大程序 ROM 的额外内存组（地址组）。 不过游戏或程序现在有了在需要时手动切换 Bank 的新任务。
相同的配置但是没有安装映射器。 虽然简单且便宜，但是 CPU 只能访问有限数量的 Banks。
Mapper 是卡带中包含的额外芯片，位于内存芯片和主机地址线之间。 它的主要工作是扩展地址空间，以便开发人员可以安装更多的芯片。 这是通过 Bank (地址组) 切换实现的：内存地址被组织成 Bank，Mapper 提供开关（通过读写特定内存地址控制）在 Bank 之间切换。 现在，CPU 仍然看到相同数量的内存，所以游戏需要针对操作 Mapper 进行编程。 由于成本效益问题，Mapper 是 80 年代至 90 年代初的主流技术。
《超级马力欧兄弟2》（Super Mario Bros 2）的PCB 。 超级马力欧兄弟3也使用这种布局，但包含了一个256 KB的程序ROM。
带有重要部件标签的相同图片。 一开始，我以为额外的 WRAM 是用来存储存档的，但后来我意识到这个游戏没有存档（而且也没有电池）。 事实上，这个 RAM 芯片是用来储存解压后的关卡数据的。
回到 NES，《超级马力欧兄弟 2》和《超级马力欧兄弟 3》这样的游戏的卡带中包含了"MMC3" Mapper（由任天堂制造）。 作为比较，MMC3 提供了最大 512 KB 的程序 ROM，最大 256 KB 的 Character memory 和最大 8 KB 的额外 WRAM 。 您现在可以看出为什么《超级马力欧兄弟 3》的游戏内容比初代《超级马力欧兄弟》多很多了。
总而言之，虽然这台主机的内置功能存在一些限制，但是任天堂能确保它适应技术的发展。 另一方面，虽然这种技术有助于降低游戏机的成本，但它将部分成本转嫁到了游戏卡带上。 所以，游戏开发商必须在游戏质量和卡带成本之间做出权衡。