Faits :
A.
Par jugement du 9 mars 2016, le Tribunal de police de Genève a acquitté X._ des chefs de séjour illégal (art. 115 al. 1 let. b de la loi fédérale du 16 décembre 2005 sur les étrangers, [LEtr; RS 142.20]) et d'interdiction de pénétrer dans une région déterminée (art. 119 LEtr). Il s'est vu allouer des indemnités en réparation du tort moral subi et en couverture de ses frais de défense.
B.
Par arrêt du 4 août 2016, la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre pénale d'appel et de révision a admis l'appel interjeté par le Ministère public contre le jugement de première instance, qu'elle a annulé. Elle a reconnu X._ coupable d'infractions aux art. 115 al. 1 let. b et 119 al. 1 LEtr et l'a condamné à une courte peine privative de liberté de 30 jours, sous déduction de la détention subie, cette peine étant complémentaire à celle prononcée le 6 septembre 2015 par le Ministère public.
En substance, il est reproché à X._, d'origine mauritanienne, d'avoir, à Genève, du 15 janvier au 12 mars 2015, séjourné en Suisse alors qu'il était démuni d'un passeport valable et d'une autorisation de séjour et faisait l'objet d'une décision de renvoi entrée en force le 8 octobre 2014. Il lui est également reproché d'avoir, à tout le moins le 12 mars 2015, pénétré sur le territoire genevois, alors qu'il était frappé d'une interdiction d'accès à ce canton, dûment notifiée, valable du 16 décembre 2014 au 16 décembre 2015.
C.
X._ forme un recours en matière pénale auprès du Tribunal fédéral contre l'arrêt cantonal et conclut à son acquittement. Subsidiairement, il conclut au renvoi de la cause à la cour cantonale pour qu'elle statue dans le sens des considérants. Il sollicite en outre le bénéfice de l'assistance judiciaire.

Considérant en droit :
1.
Sans remettre en cause sa présence dans un périmètre interdit par une décision valablement notifiée au sens de l'art. 119 LEtr, ni le caractère exécutoire de celle-ci, le recourant prétend qu'il n'a jamais quitté la zone interdite et estime qu'aucune infraction à l'art. 119 LEtr ne peut lui être reprochée.
Or, interrogé sur son lieu de résidence le jour de son interpellation, le recourant a indiqué aux gendarmes: " maintenant, je dors dans des caves à Genève ou à Lausanne " (cf. PV d'audition du 12 mars 2015, p. 3; <ref-law>). Dans ces circonstances, ses développements relatifs à la nécessité de quitter le canton de Genève pour tomber sous le coup de l'art. 119 LEtr tombent à faux.
2.
Le recourant ne conteste pas s'être rendu coupable de séjour illégal au sens de l'art. 115 al. 1 let. b LEtr. Il estime qu'il devrait être acquitté de ce chef d'infraction en application de la Directive 2008/115/CE du 16 décembre 2008 relative aux normes et procédures communes applicables dans les Etats membres au retour des ressortissants de pays tiers en séjour irrégulier (ci-après: Directive sur le retour).
2.1. Il est renvoyé aux arrêts 6B_274/2016 et 6B_366/2016 du 15 mai 2017 (destinés à la publication) s'agissant des principes tirés de la Directive sur le retour et de la jurisprudence y relative. Dans ce dernier arrêt, le Tribunal fédéral a jugé que la Directive sur le retour est applicable, lorsque les infractions aux art. 115 al. 1 let. b et 119 LEtr sont retenues en concours, et si la violation d'une interdiction de périmètre est prononcée en lien avec la mise en oeuvre du renvoi (art. 74 al. 1 let. b et c LEtr). Lorsque la décision est prononcée en raison du comportement de l'intéressé troublant ou menaçant la sécurité et l'ordre publics (art. 74 al. 1 let. a LEtr; notamment trafic de stupéfiants), la Directive sur le retour ne trouve pas application (arrêt 6B_366/2016 du 15 mai 2017 consid. 2.6.2).
2.2. En l'espèce, l'interdiction de pénétrer dans une région déterminée du 16 décembre 2014 au 16 décembre 2015 se fonde sur le comportement du recourant troublant ou menaçant la sécurité et l'ordre publics dans le canton de Genève, notamment dans le centre ville (cf. décision du 16 décembre 2014; <ref-law>). La mesure se fonde dès lors sur l'art. 74 al. 1 let. a LEtr.
2.3. Ainsi, l'infraction à l'art. 119 LEtr porte, dans le cas présent, sur la violation d'une interdiction ayant pour but la protection de la sécurité et de l'ordre publics, non la mise en oeuvre de la procédure de renvoi. Dans cette configuration, les principes tirés de l'arrêt 6B_366/2016 du 15 mai 2017, destiné à la publication, doivent être suivis.
2.4. Il s'ensuit que le recourant est soustrait à l'application de la Directive sur le retour et que le prononcé d'une sanction pour séjour illégal (art. 115 al. 1 let. b LEtr) et non-respect d'une interdiction de pénétrer dans une région déterminée (art. 119 al. 1 LEtr) n'est pas contraire à celle-ci.
3.
Le recours doit être rejeté. Comme ses conclusions étaient vouées à l'échec, l'assistance judiciaire ne peut être accordée (<ref-law>). Le recourant devra donc supporter les frais judiciaires (<ref-law>), dont le montant sera toutefois fixé en tenant compte de sa situation financière.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté.
2.
La demande d'assistance judiciaire est rejetée.
3.
Les frais judiciaires, arrêtés à 1'200 fr., sont mis à la charge du recourant.
4.
Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre pénale d'appel et de révision.
Lausanne, le 29 août 2017
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président : Denys
La Greffière : Klinke