データは8ビット単位で転送されますが、通信の基本単位は「データ8ビット + ACKビット」の合計9ビットです。
通信は、デバイスのアドレスとR/Wビットを組み合わせた1バイトで開始し、以降は8ビットのデータとACK/NACKビットを交互に送受信することで進行します。

規格には
標準モード Standard-mode で最大 100kbit/s
ファーストモード Fast-mode で 400kbit/s
ファーストモード・プラス Fast-mode Plus で 1Mbit/s
となっていますが、
ハイスピードモード（High-speed-mode）:3.4Mbps
ウルトラファストモード（Ultra-fast-mode）:5Mbps（単方向通信のみ）
も有ります。

個々のデバイスを識別するためにアドレスが有ります。
またアドレスには7bitまたは10bitで表します。
(1)7ビットアドレス:
一般的に使用されるアドレス形式です。
0x00から0x7Fまでの範囲（10進数で0から127）で、理論上最大128台のデバイスを接続できます。
ただし、一部のアドレス（0x00や0x01-0x07、0x78-0x7Fなど）は特殊な用途や将来の予約アドレスとして確保されているため、実際に使用できる範囲は少なくなります。

(2)10ビットアドレス:
使用は稀ですが、より多くのアドレス空間が必要な場合に使用されます。
アドレス指定に2バイトを要するため、通信手順が複雑になります。

通信線に接続されるディバイスは全て電圧を発生せず、GNDに対してオープン(ハイインピーダンス)または、短絡(ショート)状態にしている。
このため、外部からVDDに抵抗を通し信号線に接続し電圧を発生させている。
この抵抗をプルアップ抵抗と言う。
後でプルアップ抵抗の設計について記載したいと思うが、今回は概要を記載する。
概略プルアップ抵抗は、数kΩから数十kΩ（例：10kΩ）の値で設計する。

設計上の考慮事項

(1)基本的な値の選定:

一般的な目安として、1kΩ〜10kΩ程度の抵抗を5Vまたは3.3V電源に接続して使用する。

(2)抵抗値を高くする場合:

消費電流を抑えたい場合には、プルアップ抵抗値を大きくする。
ただし、抵抗値を大きくしすぎると、信号波形の立上り・立下り時間が長くなり、信号として検出できなくなる可能性がある。
またリニア電流が大きくなり、オープン状態でのリーク電流との関係で、ハイレベルの出力電圧が低下することがある。

(3)抵抗値を低くする場合:

電流が多く流れることにより、 バスの配線が長い場合には、信号の立上り・立下り時間を短くする効果がある。
外来ノイズに強くなる。
ただし、抵抗値を小さくしすぎると、プルアップ時に消費する電流が増加してデバイスのショート許容電流を超えるとデバイスを破損する可能性がある。
なお電流値として下記値が定格として出ているが、詳細はデバイス個々の定格表を参照すること。
通信スピードと立下り電流　　(mA)

	立下り電流 IOL
Standard-mode 100kbit/s	3
Fast-mode 400kbit/s	3
Fast-mode Plus 1000kbit/s	20

(4)立ち上がり時間の考慮:

I2Cの通信モードごとに、立ち上がり時間（t_r）の規定がある。
プルアップ抵抗値は、バス容量とプルアップ抵抗によって決まる立ち上がり時間を、規定値内に収まるように選定する。
具体的には、以下関係式となる。
　　立上り時間 t_r ＝ バス容量 × プルアップ抵抗値
通信スピードと立上り、立下り時間　　(ns)

		立上り時間 tr	立下り時間 tf
Standard-mode 100kbit/s	最小	ｰｰ	--
	最大	1000	300
Fast-mode 400kbit/s	最小	20	20×(VDD/5.5)
	最大	300	300
Fast-mode Plus 1000kbit/s	最小	--	20×(VDD/5.5)
	最大	120	120

(5)オープンコレクタ出力への考慮:

多くのI2Cデバイスはオープンコレクタ出力であるため、プルアップ抵抗を接続しないと、信号のハイレベルを出力できない。
オープンコレクタ出力の素子は、抵抗を接続することでハイレベル出力を実現する。

(6)システム全体の整合性:

プルアップ抵抗の電圧は、I2Cバスを構成するデバイスの電源電圧に合わせる必要がある。
たとえば、5Vで動作するデバイスのバスには、電源電圧5Vにプルアップする。

図１

バイト・フォーマット

SDAライン上のすべてのバイトは、8ビット長でなければならない。
1回の転送で送ることができるバイト数に制限は無い。

SDA信号

	送信者		受信者
1	データ送信 8bit	→	受信完了
2	受信良好	←	ACK 1bit(Lo)
3	データ送信 8bit	→	受信x
4	受信不良処理	←	NACK 1bit(Hi)
5	・

ACK　アクノリッジ

アクノリッジは、データ受信側が発信し、各バイトの後に付けられる。
アクノリッジビットはデータ受信側(以下受信側と言う)からデータ送信側(以下送信側と言う)に対し、バイト受信の成功と、次のバイトの送信をして構わないことを通知する。
しかしACKが無いと次に説明する NACK 状態を受信側が故障したと送信側が処理させる場合もあり、他の方法で受信側の判断で送信側を長期待機状態にすることが出来るようにしている。

送信側を強制的に待機状態にする方法としては

受信側は送信側を強制的に待機状態とするためにクロックラインSCLを短絡(ショート)状態に保持することにより送信側を待機状態にできる。
受信側内で次のデータバイトを処理する準備が整うと、受信側のクロックラインSCLをオープン(ハイインピーダンス)状態にすると送信側はデータ転送を継続する。

SCLのクロック信号についてはマスタが出力する。

アクノリッジの9番目のデータが同期するクロックパルスを含め、すべてのクロックパルスはマスタが出力する。

NACK　ノット・アクノリッジ

9番目のクロックパルスの間にSDAがHIGHである場合を、ノット・アクノリッジ(NACK)と定義します。
マスタはストップコンディションを生成して転送を中止するか、リピートスタートコンディションを生成して新たな転送を開始できます。
NACKを発生させる条件は次の通り。
1.転送されたアドレスのレシーバがバスに存在しない.つまりアクノリッジで応答するデバイスがない場合。
2.レシーバが何らかのリアルタイム機能を実行中でマスタとの通信を行える状態ではなく、送信も受信もできない場合。
3.転送の間、受信したデータやコマンドをレシーバが理解できない場合。
4.転送の間、レシーバがそれ以上データバイトを受信できない場合。
5.マスタレシーバがスレーブトランスミッタに対し転送の終了を伝える場合。