I2C總線的通信過程(見圖4-8)主要包含三個主要階段：起始階段、數據傳輸階段和終止階段。
1. 起始階段
在I2C總線不工作的情況下，SDA(數據線)和SCL(時鍾線)上的信號均為高電平。如果此時主機需要發起新的通信請求，那么需要首先通過SDA和SCL發出起始標志。當SCL為高電平時，SDA電平從高變低，這一變化表示完成了通信的起始條件。
在起始條件和數據通信之間，通常會有延時要求，具體的指標會在設備廠商的規格說明書中給出。
2. 數據傳輸階段
I2C總線的數據通信是以字節(8位)作為基本單位在SDA上進行串行傳輸的。一個字節的傳輸需要9個時鍾周期。其中，字節中每一位的傳輸都需要一個時鍾周期，當新的SCL到來時，SCL為低電平，此時數據發送方根據當前傳輸的數據位控制SDA的電平信號。如果傳輸的數據位為"1"，就將SDA電平拉高；如果傳輸的數據位為"0"，就將SDA的電平拉低。當SDA上的數據准備好之后，SCL由低變高，此時數據接收方將會在下一次SCL信號變低之前完成數據的接收。當8位數據發送完成后，數據接收方需要一個時鍾周期以使用SDA發送ACK信號，表明數據是否接收成功。當ACK信號為"0"時，說明接收成功；為"1"時，說明接收失敗。每個字節的傳輸都是由高位(MSB)到低位(LSB)依次進行傳輸。
I2C總線協議中規定，數據通信的第一個字節必須由主機發出，內容為此次通信的目標設備地址和數據通信的方向(讀/寫)。在這個字節中，第1～7位為目標設備地址，第0位為通信方向，當第0位為"1"時表示讀，即后續的數據由目標設備發出主機進行接收；當第0位為"0"時表示寫，即后續的數據由主機發出目標設備進行接收。在數據通信過程中，總是由數據接收方發出ACK信號。
3. 終止階段
當主機完成數據通信，並終止本次傳輸時會發出終止信號。當SCL 是高電平時，SDA電平由低變高，這個變化意味着傳輸終止。
下面給出了模擬I2C總線進行讀寫的偽代碼，用以說明如何使用GPIO實現I2C通信：
#define SDA 254 //定義SDA所對應的GPIO接口編號 #define SCL 255 //定義SCL所對應的GPIO接口編號 #define OUTP 1 //表示GPIO接口方向為輸出 #define INP 0 //表示GPIO接口方向為輸入 /* I2C起始條件 */ int i2c_start() { //初始化GPIO口 set_gpio_direction(SDA, OUTP); //設置SDA方向為輸出 set_gpio_direction (SCL, OUTP); //設置SCL方向為輸出 set_gpio_value(SDA, 1); //設置SDA為高電平 set_gpio_value(SCL, 1); //設置SCL為高電平 delay(); //延時 //起始條件 set_gpio_value(SDA, 0); //SCL為高電平時，SDA由高變低 delay(); } /* I2C終止條件 */ void i2c_stop() { set_gpio_value(SCL, 1); set_gpio_direction(SDA, OUTP); set_gpio_value(SDA, 0); delay(); set_gpio_value(SDA, 1); //SCL高電平時，SDA由低變高 } /* I2C讀取ACK信號(寫數據時使用) 返回值 ：0表示ACK信號有效；非0表示ACK信號無效 */ unsigned char i2c_read_ack() { unsigned char r; set_gpio_direction(SDA, INP); //設置SDA方向為輸入 set_gpio_value(SCL,0); // SCL變低 r = get_gpio_value(SDA); //讀取ACK信號 delay(); set_gpio_value(SCL,1); // SCL變高 delay(); return r; } /* I2C發出ACK信號(讀數據時使用) */ int i2c_send_ack() { set_gpio_direction(SDA, OUTP); //設置SDA方向為輸出 set_gpio_value(SCL,0); // SCL變低 set_gpio_value(SDA, 0); //發出ACK信號 delay(); set_gpio_value(SCL,1); // SCL變高 delay(); } /* I2C字節寫 */ void i2c_write_byte(unsigned char b) { int i; set_gpio_direction(SDA, OUTP); //設置SDA方向為輸出 for (i=7; i>=0; i--) { set_gpio_value(SCL, 0); // SCL變低 delay(); set_gpio_value(SDA, b & (1<<i)); //從高位到低位依次准備數據進行發送 set_gpio_value(SCL, 1); // SCL變高 delay(); } i2c_read_ack(); //檢查目標設備的ACK信號 } /* I2C字節讀 */ unsigned char i2c_read_byte() { int i; unsigned char r = 0; set_gpio_direction(SDA, INP); //設置SDA方向為輸入 for (i=7; i>=0; i--) { set_gpio_value(SCL, 0); // SCL變低 delay(); r = (r <<1) | get_gpio_value(SDA); //從高位到低位依次准備數據進行讀取 set_gpio_value(SCL, 1); // SCL變高 delay(); } i2c_send_ack(); //向目標設備發送ACK信號 return r; } /* I2C讀操作 addr：目標設備地址 buf：讀緩沖區 len：讀入字節的長度 */ void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len) { int i; unsigned char t; i2c_start(); //起始條件，開始數據通信 //發送地址和數據讀寫方向 t = (addr << 1) | 1; //低位為1，表示讀數據 i2c_write_byte(t); //讀入數據 for (i=0; i<len; i++) buf[i] = i2c_read_byte(); i2c_stop(); //終止條件，結束數據通信 } /* I2C寫操作 addr：目標設備地址 buf：寫緩沖區 len：寫入字節的長度 */ void i2c_write (unsigned char addr, unsigned char* buf, int len) { int i; unsigned char t; i2c_start(); //起始條件，開始數據通信 //發送地址和數據讀寫方向 t = (addr << 1) | 0; //低位為0，表示寫數據 i2c_write_byte(t); //寫入數據 for (i=0; i<len; i++) i2c_write_byte(buf[i]); i2c_stop(); //終止條件，結束數據通信 }