I²C接口主状态机如图所示。

　　如图  I²C接口主状态机
　　无论是主模式，还是从模式，状态机都是相同的。在每个状态，模式都会被检测，以决定输出和下一个状态。如果仲裁失败或 I²C控制器被确定为从模式，控制器会自动由主模式切换到从模式。
　　此状态机用到一个位计数器和两个移位寄存器，位计数器对从总线上接收到的位进行计数，其中一个移位寄存器用来存储I²C的HEADER；另一个用来存储接收到的数据或待发送的数据。
　　当检测到START信号时，状态机进入HEADER状态。在HEADER状态，如果是主模式，MBDR寄存器中的HEADER被发送。当所有8位数据发送完毕时，状态机转入ACK HEADER。
　　在ACK_HEADER状态，如果CoolRunner-II  I²C控制器工作在主模式，将会采样SDA，以确认从设备是否有应答。如果没有应答，状态转入STOP；如果有应答，LSB=1时进入RCV_DATA， LSB=0时进入XMIT_DATA。
　　I²C Header移位寄存器与MADR进行比较，如果匹配，则CoolRunner-II  I²C为被寻址的从设备。模式立刻切换到从模式，状态寄存器MBSR中MAAS位被置位，SDA线将会按照TXAK中的设置应答当前主设备。
在RCV_DAT状态，SDA数据被入I²C移位寄存器，以供uC读取。当所有数据位被接收到，状态机转入ACK_DATA,TXAK被输出到SDA。