总线的速度有两个不同的规范，一种的速度低于100kHz，而另外一种的速度高达400kHz，总线间的电容不能大于400pF。所有TWI兼容的器件的总线驱动都应该是漏极开路或集电极开路的结构，这样就可以实现线与的功能。TWI器件在输出为0时，TWI总线会产生低电平。当所有的TWI器件输出为三态时，总线会输出高电平，如果接有上拉电阻电压将会被拉高。

TWI总线上传输的数据是通过在时钟线（SCL）高电平期间对应的数据线（SDA）上的电平来判别的。可通过下图来描述。

在上图中，当SCL拉高期间对应的SDA的电平，如果是高则这位数据就是1，反之则是0。只有在SCL为低电平期间，SDA才可以更新下一位的数据。TWI总线上数据的传送就是通过SCL为高时对应到的SDA的值来构成的。显然，SCL的频率决定了数据传送的速度。

除了传送的数据以外，在每一帧数据传送之前，还会有一个启动信号，以通知从机准备接收数据。在数据传送结束之后，也会有一个停止信号，以通知从机数据传输结束。启动信号是这样来定义的，在SCL为高电平期间，若对应的SDA线上有一个由高变低的电平下跳沿，则表示这是一个启动信号。同样，停止信号是这样定义的，在SCL为高电平期间，若对应的SDA线上有一个由低变高的电平上跳沿，则表示这是一个停止信号。为了形成启动或停止信号，必须在判别该信号的SCL拉高之前做好电平准备，比如要形成一个停止信号，必须在SCL为低电平期间把SDA上的电平拉低，以便在紧跟着后面的SCL高电平期间把SDA的电平拉低，形成一个停止信号。当已经有一个启动信号之后，在没有停止信号出现之前若再次出现启动信号，则表示该信号是一个重新启动信号，它主要用于在主机不放弃总线控制的情况下启动新的传送。上述整个过程可用下图来描述。

通过上述讨论，说明了TWI总线的数据位传送与时钟脉冲是同步的。除了启动与停止状态之外，当时钟线为高电平时，数据线上的电压（不论是高还是低）必须保持稳定，否则有可能被识别成停止信号或重新开始的信号。

下面来看TWI总线是如何寻址的。在启动信号之后紧接着的就是地址帧，所有的地址包均为9位，包括7位地址位、1位READ/WRITE控制位（即方向位，表明是主机写从机还是从机写主机）与1位应答位。如果READ/WRITE为1，则执行读（从机写主机）操作；否则执行写（主机写从机）操作。从机被寻址后，必须在第九个SCL(ACK)周期通过拉低SDA作出应答。发送地址时先发送高位后发送低位，地址字节的MSB（数据的最高位）先被发送，从机地址由用户自行分配，但要避开保留的广播地址（即地址0000000）。地址的传输格式可用下图来描述。

在上图中，位于粗线之中的寄存器可以通过程序进行访问。SCL与SDA为MCU的TWI接口引脚。引脚的输出驱动器包含一个波形斜率限制器以满足TWI的信号规范。引脚的输入部分包括尖峰抑制单元以去除小于50ns的毛刺干扰。当相应的端口被设置为SCL与SDA引脚时，可以使能I/O口内部的上拉电阻，这样可省掉外部的上拉电阻。

当TWI工作于主机模式时，比特率发生器（上图中的Bit Rate Generator部分）控制时钟信号SCL的周期。具体的值由TWI状态寄存器TWSR（上图中的Control Unit部分内）的预分频系数以及比特率寄存器TWBR（上图中的Bit Rate Generator部分内）设定。可通过下面的公式来计算。

式中，TWBR是TWI比特率寄存器的数值，TWPS是TWI状态寄存器预分频的数值。TWI工作在主机模式时，TWBR值应该不小于10。否则主机会在SDA与SCL产生错误输出作为提示信号。

在上图中，还有一个总线接口（上图中的Bus Interface Unit部分）。它包含有数据与地址移位寄存器TWDR，START/STOP控制器和总线仲裁判定硬件电路。TWDR寄存器用于存放发送或接收的数据或地址。除了8位的TWDR外，总线接口单元还有一个寄存器，包含了用于发送或接收应答的(N)ACK。这个(N)ACK寄存器不能由程序直接访问。当接收数据时，它可以通过TWI控制寄存器TWCR来置位或清零；在发送数据时，(N)ACK值由TWCR的设置来决定。START/STOP控制器负责产生和检测TWI总线上的START、REPEATEDSTART与STOP状态。即使在MCU处于休眠状态时，START/STOP控制器仍然能够检测TWI总线上的START/STOP条件，当检测到自己被TWI总线上的主机寻址时，将MCU从休眠状态唤醒，这一功能在节电时非常必要。

接下来是地址匹配单元（上图中的Address Match Unit部分）。地址匹配单元将检测从总线上接收到的地址是否与TWAR寄存器中的7位地址相匹配。如果TWAR寄存器的TWI广播应答识别使能位TWGCE为1，从总线接收到的地址也会与广播地址进行比较。一旦地址匹配成功，控制单元将得到通知以进行正确地响应。TWI可以响应，也可以不响应主机的寻址，这取决于TWCR寄存器的设置。即使MCU处于休眠状态时，地址匹配单元仍可继续工作。一旦主机寻址到这个器件，就可以将MCU从休眠状态唤醒。

最后一个部分是控制单元，它监听TWI总线，并根据TWI控制寄存器TWCR的设置作出相应的响应。当TWI总线上产生需要应用程序干预处理的事件时，TWI中断标志位TWINT置位。一旦TWINT标志位置1，时钟线SCL的电平即被拉低，暂停TWI总线上的数据传输，让用户程序处理事件。在下列状况出现时，TWINT标志位会被置位。

1、在TWI传送完START/REPEATED START信号之后
2、在TWI传送完SLA+R/W数据之后
3、在TWI传送完地址字节之后
4、在TWI总线仲裁失败之后
5、在TWI被主机寻址之后( 广播方式或从机地址匹配)
6、在TWI接收到一个数据字节之后
7、作为从机工作时，TWI接收到STOP或REPEATED START信号之后
8、由于非法的START或STOP信号造成总线错误时