[아두이노] I²C는 어떻게 데이터와 ACK를 구분할까? (클럭 기반 상태 머신의 이해)


I²C를 공부하다 보면 많은 사람들이 한 번쯤 이런 의문을 가집니다.

"ACK도 그냥 1비트인데,
데이터 비트와 어떻게 구분하지?"

예를 들어 I²C는:

8비트 데이터 + ACK/NACK 1비트

구조로 동작합니다.

그런데 버스에는 결국:

  • SDA(Data)

  • SCL(Clock)

두 선밖에 없습니다.

즉 전압만 보면:

0인지 1인지

밖에 안 보입니다.

그렇다면 MCU는 어떻게:

  • 데이터

  • ACK

  • START

  • STOP

을 구분하는 걸까요?

오늘은 I²C 프로토콜의 핵심인:

클럭 기반 상태 머신(State Machine)

관점으로 정리해보겠습니다.

1. I²C는 "값"보다 "타이밍"이 중요하다

초보자는 흔히 이렇게 생각합니다.

"ACK는 특별한 전압값인가?"

하지만 아닙니다.

ACK도 단순한 1비트입니다.

핵심은:

언제 나타났는가

입니다.

즉 I²C는:

비트 값 자체보다
클럭 타이밍이 더 중요

합니다.

2. I²C는 동기식 통신이다

I²C에는 두 선이 있습니다.

선역할
SDA데이터
SCL클럭

그리고 모든 장치는:

SCL을 기준으로 동작

합니다.

즉:

몇 번째 클럭인가?

를 계속 추적합니다.

3. ACK는 항상 9번째 클럭

I²C 규칙은 매우 엄격합니다.

클럭 번호의미
1~8데이터
9ACK/NACK

즉:

1~8번째 클럭:
데이터 비트

9번째 클럭:
응답 비트

입니다.

그래서 MCU는:

"지금 9번째 클럭이네?
그럼 ACK 슬롯이구나"

라고 판단합니다.

즉:

값이 아니라 위치로 구분

합니다.

4. 실제 흐름 예시

예를 들어:

10110010

를 전송한다고 해봅시다.

그러면 실제 버스 흐름은:

클럭 1 → 1
클럭 2 → 0
클럭 3 → 1
클럭 4 → 1
클럭 5 → 0
클럭 6 → 0
클럭 7 → 1
클럭 8 → 0
클럭 9 → ACK/NACK

입니다.

즉 마지막 9번째 클럭은:

무조건 ACK 전용 슬롯

입니다.

5. ACK는 누가 만드는가?

여기서 중요한 점이 있습니다.

I²C는:

송신자와 수신자가 번갈아 SDA를 제어

합니다.

데이터 전송 중

1~8번째 클럭에서는:

송신자(TX)가 SDA 제어

합니다.

즉 데이터를 출력합니다.

ACK 구간

9번째 클럭에서는:

송신자가 SDA를 놓아버림

니다.

그러면:

수신자(RX)가 SDA를 제어

하여 ACK/NACK를 생성합니다.

즉 구조는:

구간SDA 제어 주체
1~8비트송신자
9비트수신자

입니다.

6. 이것이 가능한 이유: Open Drain 구조

I²C는 일반 Push-Pull 출력이 아닙니다.

대신:

Open Drain(Open Collector)

구조를 사용합니다.

즉 장치는:

  • LOW는 직접 만들 수 있음

  • HIGH는 직접 출력하지 않음

입니다.

HIGH는:

풀업 저항(Pull-up Resistor)

이 만들어줍니다.

7. ACK와 NACK의 실제 의미

ACK

ACK는:

수신기가 SDA를 LOW로 당김

입니다.

즉:

0

입니다.

의미는:

"정상적으로 받았다"

입니다.

NACK

NACK는:

아무도 SDA를 LOW로 안 당김

입니다.

그러면 풀업 저항 때문에 자동으로 HIGH가 됩니다.

즉:

1

입니다.

의미는:

"못 받음"
또는
"더 이상 안 받을래"

입니다.

8. START/STOP은 왜 데이터와 안 헷갈릴까?

I²C는 특별한 규칙이 하나 더 있습니다.

START 조건

SCL이 HIGH일 때 SDA가 HIGH→LOW

이면 START입니다.

STOP 조건

SCL이 HIGH일 때 SDA가 LOW→HIGH

이면 STOP입니다.

데이터 비트는?

데이터는:

SCL LOW 상태에서만 변경

됩니다.

즉 START/STOP은 일반 데이터 비트와 타이밍 규칙 자체가 다릅니다.

그래서 절대 혼동되지 않습니다.

9. 결국 I²C는 상태 머신(State Machine)

이쯤 되면 보이는 사실이 있습니다.

I²C는 단순히:

전압 변화만 보는 통신

이 아닙니다.

실제로는:

현재 몇 번째 클럭인가
현재 START 상태인가
현재 ACK 슬롯인가

를 계속 추적합니다.

즉 내부적으로는:

프로토콜 상태 머신(State Machine)

처럼 동작합니다.

10. MCU 내부 I²C 하드웨어의 정체

STM32나 AVR 내부의 I²C Peripheral도 사실상:

I²C 전용 하드웨어 상태 머신

입니다.

그래서 자동으로:

  • START 생성

  • Address 송신

  • ACK 처리

  • STOP 생성

등을 수행합니다.

Arduino의:

Wire.requestFrom()

같은 함수가 가능한 이유도 이것입니다.

핵심 정리

항목구분 방식
데이터 비트1~8번째 클럭
ACK/NACK9번째 클럭
STARTSCL HIGH에서 SDA↓
STOPSCL HIGH에서 SDA↑
ACKSDA LOW
NACKSDA HIGH

즉 I²C는:

값 자체보다
"언제 발생했는가"

로 의미를 구분하는 프로토콜입니다.

그리고 이것이 바로:

클럭 기반 동기식 통신

의 핵심 개념입니다.

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