I2C串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的資料線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線設備上的串行資料SDA都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。
為了避免總線信號的混亂，要求各設備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路（OD）輸出或集電極開路（OC）輸出。設備上的串行資料線SDA介面電路應該是雙向的，輸出電路用于向總線上發送資料，輸入電路用于接收總線上的資料。而串行時鐘線也應是雙向的，作為控制總線資料傳送的主機，一方面要通過SCL輸出電路發送時鐘信號，另一方面還要檢測總線上的SCL電平，以決定什么時候發送下一個時鐘脈沖電平；作為接受主機命令的從機，要按總線上的SCL信號發出或接收SDA上的信號，也可以向SCL線發出低電平信號以延長總線時鐘信號周期。總線空閑時，因各設備都是開漏輸出，上拉電阻Rp使SDA和SCL線都保持高電平。任一設備輸出的低電平都將使相應的總線信號線變低，也就是說：各設備的SDA是“與”關系，SCL也是“與”關系。
總線對設備介面電路的制造工藝和電平都沒有特殊的要求（NMOS、CMOS都可以兼容）。在I2C總線上的資料傳送率可高達每秒十萬位，高速方式時在每秒四十萬位以上。另外，總線上允許連接的設備數以其電容量不超過400pF為限。
總線的運行（資料傳輸）由主機控制。所謂主機是指啟動資料的傳送（發出啟動信號）、發出時鐘信號以及傳送結束時發出停止信號的設備，通常主機都是微處理器。被主機尋訪的設備稱為從機。為了進行通訊，每個接到I2C總線的設備都有一個唯一的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的資料傳送，可以由主機發送資料到從機，也可以由從機發到主機。凡是發送資料到總線的設備稱為發送器，從總線上接收資料的設備被稱為接受器。
I2C總線上允許連接多個微處理器以及各種外圍設備，如存盤器、LED及LCD驅動器、A/D及D/A轉換器等。為了保證資料可靠地傳送，任一時刻總線只能由某一臺主機控制，各微處理器應該在總線空閑時發送啟動資料，為了妥善解決多臺微處理器同時發送啟動資料的傳送（總線控制權）沖突，以及決定由哪一臺微處理器控制總線的問題，I2C總線允許連接不同傳送速率的設備。多臺設備之間時鐘信號的同步程序稱為同步化
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