Hola Leo,
Los Cortex-M3 tienen un sistema de interrupción bastante complejo e interesante (NVIC). Hay 32 niveles de prioridad. A menor valor, mayor prioridad. Por defecto (si mal no recuerdo) durante un POR se le asigna prioridad máxima (valor 0) a todas las interr. La regla básica es que una interrupción sólo interrumpe a otra si su prioridad es mayor. Si es igual o menor, tiene que esperar a que termine de ejecutarse la interr. actual (y posiblemente otras pendientes si las hubiere).
Si entendí bien, tu idea es dentro de la interrupción del Timer, leer datos del I2C. El inconveniente radicaría en que mencionás que la lib del I2C está usando interrupciones para realizar la lectura. Entonces, lo que podés hacer es darle mayor prioridad a las interr. del I2C para que puedan interrumpir a la subrutina de interr del Timer.
Para darle prioridades a las diversas interr. Existe la función NVIC_SetPriority:
static __INLINE void NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)
podés encontrar algo de documentación dentro del archivo que la define: core_cm3.h
Ejemplo (sacado de un software que hice hace un año atrás para un LPC1343):
NVIC_SetPriority(TIMER_32_1_IRQn, 0); //TIMER32_1 interrupt priority
NVIC_SetPriority(UART_IRQn, 1); //UART interrupt priority
En ese ejemplo, se puede ver que estableciendo las prioridades con esos valores el Timer puede interrumpir a la interr. de la UART, pero no al reves.
Los Cortex-M3 guardan (empujan) y restauran (sacan) los registros de trabajo, SP, etc. automáticamente al entrar/salir de una interr. al stack (lo mísmo aplica para una interr. que sucede dentro de otra interr.). Si bien es una ventaja no tener que estar pendiente de eso, tienen una penalización en tiempos de ingreso/regreso de las interrupciones bastantes altas que no puede evitarse, cosa que en otras arquitecturas por tener que hacerlo por software cada uno puede optar si desea guardar los registros claves o bien ganar tiempo y no guardarlos (teniendo en cuenta los peligros que eso implica).
Cualquier duda consultame.
Saludos!