单片机在体系结构上与PC机是完全相同的，也包括中央处理器，输入输出接口，存储器等基本单元，因而与PC机等设备的软件结构也是类似的。因而单片机在软件开发的过程中也需要对软件进行调试，观察其中间结果，排除软件中存在的问题。但是由于单片机的应用场合问题，其不具备标准的输入输出装置，受存储空间限制，也难以容纳用于调试程序的专用软件，因此要对单片机软件进行调试，就必须使用单片机仿真器。单片机仿真器具有基本的输入输出装置，具备支持程序调试的软件，使得单片机开发人员可以通过单片机仿真器输入和修改程序，观察程序运行结果与中间值，同时对与单片机配套的硬件进行检测与观察，可以大大提高单片机的编程效率和效果。
最早的单片机仿真器是一套独立装置，具有专用的键盘和显示器，用于输入程序并显示运行结果;随着PC机的普及，新一代的仿真器大多数都是利用PC机作为标准的输入输出装置，而仿真器本身成为微机和目标系统之间的接口而已，仿真方式也从最初的机器码发展到汇编语言、C语言仿真，仿真环境也与PC机上的高级语言编程与调试环境非常类似了。
仿真机一般具有一个仿真头，用于取代目标系统中的单片机，也就是用这个插头模仿单片机，这也是单片机仿真器名称的由来。
目前，随着单片机的小型化，贴片化和具有ISP，IAP等功能的单片机的广泛应用，传统单片机仿真器的应用范围也有所缩小。而软件单片机仿真器（即单片机仿真程序）的应用逐渐广泛，单片机仿真程序即在个人计算机上运行的特殊程序，可在一定程度上模拟单片机运行的硬件环境，并在该环境下运行单片机目标程序，并可对目标程序进行调试、断点、观察变量等操作，可大大提升单片机系统的调试效率。纯软件单片机仿真器往往与硬件设计程序集成在一起发布，使得开发者可以对单片机硬件与软件进行同步开发。